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迄今最佳的宇宙演化模型
时间: 2014/5/16 8:59:10 来自: Sky & Telescope 阅读: 1370   评论: 0

原文标题:Best Model Yet for Cosmic Evolution

作者:Shannon Hall    原文来自:SkyandTelescope.com    Posted: 2014. 5. 7

编译:Melipal   审校:Linq (编译版权所有,未经许可请勿转载。)

天文学家完成了迄今最真实的宇宙演化计算机模拟,它追溯了宇宙在130亿年历史中的活动。

我们观测到的遥远星系发出的光线需要花费数百万到数十亿年才能抵达我们这里,这样天文学家就可以研究婴儿期的宇宙了。但是虽然哈勃空间望远镜以及其他设备正在提供有关我们起源的信息,单纯凭借观测来详细了解宇宙的演化是一件相当艰巨的任务。

因此研究者使用先进的计算机模拟来塑造自己的微型宇宙。通过使用超级计算机来释放物理定律,他们就可以研究宇宙的演化,并将模拟所得的星系与真实宇宙中观测到的星系作比较了。

小组重构出了天文学最具标志性的一张照片:哈勃极深场。模拟观测是图中右半部分,而真实的观测是左半部分。两侧平滑衔接在了一起,说明了模拟结果有多么的强大。(图片提供:Illustris)

现在研究者完成出了迄今最真实的计算机模拟。这是第一个同时预言了大尺度观测结果(在大质量星系团之间延伸的纤维网络)以及小尺度观测结果(星系内气体和恒星成分的细节)的模拟工作。

研究的合作者、哈佛—史密松天体物理中心的夏伊·吉尼尔(Shy Genel)说:“我们模型的新颖之处在于,我们结合了模拟宇宙中的物理尺度、我们在其中解析出的细节以及精度,我们由此为宇宙中的大尺度结构以及(较小)星系内的关键物理过程建立了模型。”

盒中的宇宙

研究者的模型初始条件与大爆炸后1200万年的幼年宇宙类似。随后他们在模拟中引入了复杂的物理定论——物质的引力作用、弥漫气体中的化学反应、辐射与磁场,还有恒星与黑洞形成的物理过程,并让它演化了13亿年。

小组考虑了常规物质及其周围复杂的物理定律,因此让他们的模型向前迈进了一大步。先前的模拟主要只考虑了暗物质,这样就严重限制了模拟结果与观测吻合的可能性。

小组发现他们的结果与观测到的宇宙吻合得相当好。参与者惊讶地发现,在计算中考虑超新星爆发以及特大质量黑洞是一个关键因素,由此可以获取与真实情况类似的模型星系族群。

Illustris模拟得到的当今宇宙(z=0)一瞥,图中区域的厚度是7000万光年,中央是一质量最大的星系团。图中左侧表示暗物质密度,右侧是气体密度。(图片提供:Illustris Collaboration)

他们可以重构出一系列的观测特性,如当今不同质量星系中恒星与暗物质的数量之比。因此虽然暗物质和暗能量本质还存在很大的不确定性,这项模拟工作清除了标准宇宙学模型面临的一系列障碍,该模型认为,这些神秘的组分占据了宇宙成分的大半。

吉尼尔说,这“进一步激励我们,继续搜索难以捉摸的暗物质和暗能量,以了解它们的真实本性。”

暗物质模拟的一大挑战是,重构出我们在宇宙中观测到的一系列不同星系。Illustris模拟成功塑造出了银河系这样的漩涡星系。但是与先前的模拟一样,它还是难以产生逼真的低质量星系。较小的星系在模拟中形成得过早,最后会拥有年龄过大的恒星族群,其中的恒星年龄是当前观测结果的2到3倍。低质量星系的形成仍旧是个未决之谜。

有待挖掘数年的模型

Illustris的模拟宇宙中拥有质量、形态与尺度各不相同的41416个星系。这只是宇宙的一角,但是计算它们动用了法国、德国以及美国的超级计算机。如果研究者只使用一台台式计算机的话,这一模拟需要50万年才能运行完毕。

吉尼尔说:“我们的模型宇宙过大且过于精密,描述它需要500万亿字节(500 TB)的数据。我们以及业内的其他天文学家将在今后若干年内挖掘这些数据,以了解星系形成的几乎每个方面。对星系形成的了解是一大进步,最终将让我们了解银河系的起源以及它未来的命运。”

参考文献:M·弗格尔斯伯格(M. Vogelsberger)等人,《利用流体动力学再现星系的特性》,《自然》,2014年5月7日

(全文完)


 

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