科學(xué)家們現(xiàn)在公布了一項(xiàng)新完成且最先進(jìn)的星系演化模擬結(jié)果，TNG50是迄今為止最詳細(xì)的大規(guī)模宇宙演化模擬，這個(gè)模擬使研究人員能夠詳細(xì)研究星系是如何形成的，以及自大爆炸后不久以來星系是如何演化的。

第一次揭示了圍繞星系的宇宙氣體流動(dòng)幾何形狀決定了星系結(jié)構(gòu)，反之亦然，其研究結(jié)果發(fā)表在《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》上。運(yùn)行宇宙學(xué)模擬的天文學(xué)家面臨著一個(gè)基本權(quán)衡：由于計(jì)算能力有限，到目前為止，典型的模擬要么非常詳細(xì)，要么跨越了大量的虛擬空間，但到目前為止還不能同時(shí)做到這兩點(diǎn)。

有限體積的詳細(xì)模擬只能模擬幾個(gè)星系，使得統(tǒng)計(jì)推斷很困難。反過來，大規(guī)模模擬通常缺乏必要細(xì)節(jié)來再現(xiàn)在宇宙中觀察到的許多小尺度屬性，而降低了預(yù)測(cè)能力。新發(fā)布的TNG50模擬設(shè)法避免了這種權(quán)衡，這是它第一次將大規(guī)模宇宙學(xué)模擬（盒子中的宇宙）與“縮放”模擬的計(jì)算分辨率結(jié)合在一起，其細(xì)節(jié)水平以前只有單個(gè)星系的研究才有可能實(shí)現(xiàn)。在一個(gè)直徑超過2.3億光年的模擬空間立方體中，TNG50可以識(shí)別發(fā)生在100萬倍尺度上的物理現(xiàn)象，追蹤數(shù)千個(gè)星系在138億年宇宙史上的同步演化。

通過模擬物質(zhì)、恒星、宇宙氣體、磁場和超大質(zhì)量黑洞的200億多個(gè)粒子做到了這一點(diǎn)，這個(gè)計(jì)算本身需要斯圖加特Hazel Hen超級(jí)計(jì)算機(jī)上的16000個(gè)內(nèi)核，協(xié)同工作一年多，相當(dāng)于在一個(gè)處理器上工作一萬五千年，使其成為迄今為止要求最高的天體物理計(jì)算之一。TNG50的第一批科學(xué)結(jié)果由Annalisa Pillepich博士(Max Planck Institute for Astronomy，Heidelberg)和Dylan Nelson博士(Max Planck Institute for AstroPhysical，Garching)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)表，揭示了不可預(yù)見的物理現(xiàn)象。

當(dāng)輸出比輸入更多的時(shí)候，這種數(shù)值實(shí)驗(yàn)尤其成功，在模擬中，看到了沒有明確編程到模擬代碼中的現(xiàn)象。這些現(xiàn)象以自然的方式出現(xiàn)，來自模型宇宙基本物理成分的復(fù)雜相互作用。TNG50的特點(diǎn)是這種有兩個(gè)突出的例子，第一個(gè)是關(guān)于“圓盤”星系的形成，就像銀河系。使用模擬作為一臺(tái)時(shí)間機(jī)器來倒退宇宙結(jié)構(gòu)的演變，研究人員已經(jīng)看到了有序、快速旋轉(zhuǎn)的圓盤星系是如何在更早的時(shí)期從混亂、混亂和高度動(dòng)蕩的氣體云中出現(xiàn)。隨著氣體穩(wěn)定下來，新生恒星通常會(huì)出現(xiàn)在越來越多的圓形軌道上，最終形成大型螺旋星系--星系傳送帶。

TNG50表明銀河系及其薄盤處于星系發(fā)展的巔峰：在過去100億年中，至少那些仍在形成新恒星的星系已經(jīng)變得越來越圓盤狀，它們的混亂內(nèi)部運(yùn)動(dòng)已經(jīng)大大減少，宇宙在幾十億歲的時(shí)候就更混亂了！隨著這些星系逐漸變平，研究人員發(fā)現(xiàn)了另一種新興現(xiàn)象，涉及到高速的氣體外流和星系外氣流。這是由大質(zhì)量恒星(超新星)的爆炸和位于星系中心超大質(zhì)量黑洞的活動(dòng)所引起。銀河氣體流出最初也是混亂的，向各個(gè)方向流動(dòng)，但隨著時(shí)間的推移，它們開始沿著阻力最小的路徑變得更加集中。

在宇宙晚期，從星系流出的物質(zhì)以兩種球果的形式出現(xiàn)，它們以相反的方向出現(xiàn)——就像把兩個(gè)冰淇淋球果首尾相連，星系在中心打轉(zhuǎn)。當(dāng)這些物質(zhì)試圖離開銀河系不可見或暗物質(zhì)光環(huán)的引力阱時(shí)，它們的流動(dòng)速度會(huì)減慢，最終會(huì)停止并后退，形成一個(gè)循環(huán)氣體的星系噴泉。這一過程將氣體從星系中心重新分配到其外圍，進(jìn)一步加速了星系自身向薄圓盤的轉(zhuǎn)變：星系結(jié)構(gòu)塑造了星系噴泉，反之亦然。創(chuàng)建TNG50的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)（位于加興和海德堡的馬普研究所、哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院和計(jì)算天體物理中心(CCA)）將最終向整個(gè)天文學(xué)社區(qū)和公眾發(fā)布所有的模擬數(shù)據(jù)。

博科園｜研究/來自：英國皇家天文學(xué)會(huì)

參考期刊《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》

DOI: 10.1093/mnras/stz2338

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