作者:唐一尘 来源:中国科学报 发布时间:2018/6/13 10:18:13
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打造一个宇宙
星系模拟产生对宇宙进化惊人见解

 

研究人员不断发展宇宙模型,并借此发现新的宇宙理论。图片来源:TNG COLLABORATION

美国加州理工学院理论物理学家Philip Hopkins喜欢跟他的同事恶作剧。作为模拟星系形成的专家,Hopkins有时会在演讲中,把他的作品投射到真实星系照片旁边,让观众分辨。“我们甚至可以欺骗天文学家。”Hopkins说,“当然,这并不能保证这些模型是准确的,但直觉表明你正走在正确的轨道上。”

几十年来,科学家一直试图模拟宇宙大爆炸后可观测到的数万亿个星系是如何产生的。但在过去几年中,由于计算机的速度更快、算法更好,模拟已经开始精确地捕捉单个星系的细节及其质量和形状的整体分布结果。

模拟宇宙

宾夕法尼亚州卡耐基梅隆大学数字宇宙学家Tiziana Di Matteo说:“整个领域已经迎来小黄金时代,进步越来越快。”Di Matteo也是BlueTides项目负责人。

随着宇宙模拟的进步,它们的角色也在发生变化。几十年来,数据开始单向流动:从天文学家对真正星系的研究到建模者对其进行模拟。BlueTides项目参与者、英国苏塞克斯大学外星系天文学家Stephen Wilkins说,现在信息也在以另一种方式流动,这些模型反过来指导天文学家。“在过去,模拟总是试图跟上观测的速度。”他说。

例如,这些模型表明,最早的星系呈现奇怪的泡菜状,而在碰撞过程中,极薄的螺旋星系出奇地坚固,而且,这解释了宇宙的演化,星系形成恒星比天体物理学家期望的要慢得多。

这些模拟也发出了警告。一些宇宙学家希望星系的形成最终会成为一个相对简单的过程,由一些基本规则支配。然而,建模者指出,星系就像慢慢成熟的青少年,是不可预测的。“可以清楚地看出,星系形成的物理现象非常混乱。”Wilkins说。

在你造出一个宇宙之前,你需要知道它的成分。从各种各样的测量中,宇宙学家推断出宇宙中只有5%的质量和能量是像恒星和行星那样的普通物质。另外26%由神秘的暗物质组成,到目前为止,它们似乎只通过重力相互作用,而且可能是由一些未被发现的粒子组成的。剩下的69%是一种能量形式,它可以伸展空间,加速宇宙的膨胀。“暗能量”可能是空间本身真空的特性,所以物理学家称它为宇宙常数。

宇宙学家也知道其基本步骤。宇宙在大爆炸中形成,首先是一种炙热稠密的亚原子粒子汤。在一秒钟内,它经历了指数级增长,粒子汤的无穷小的量子波动变成了巨大的涟漪。慢慢地,密集的暗物质区域在自身的重力作用下聚集成一团巨大的团块和丝状体,被称为宇宙网。气体被暗物质的引力吸引沉淀在团块中,并凝聚成一个叫作恒星的氢聚变球。在大爆炸后的5亿年里,第一个星系形成了。在接下来的130亿年里,它们会在宇宙的引力潮中漂移,并通过相互融合而生长。

不断发展

计算机模拟帮助发展了这一理论。在20世纪80年代,研究人员发现,要形成足够大的团块约束观测到的星系群,暗物质粒子必须缓慢移动和变冷。到2005年,由德国马普学会研究人员领导的千禧模拟,绘制出了一幅宇宙网络的图像,其结构与星系的某些空间分布非常相似。

然而,千禧模拟和类似的模拟都有一个根本性的缺陷。在这些模拟实验中,“基本假设是,星系占据了光环,并对它们没有任何作用”。加州大学伯克利分校宇宙学家冯宇(音译)说:“相互作用是单向的。”

现在,建模者纳入了普通物质与自身和暗物质之间的相互作用——这一过程很难捕捉。与暗物质不同的是,普通物质在被挤压时会升温,产生光和其他电磁辐射,然后将物质推向周围。当气体云坍缩成发光的恒星,恒星在超新星爆发中爆炸,以及黑洞吞噬气体并喷出辐射时,这种复杂的反馈达到了极端。对于星系的行为来说,这是至关重要的,必须用流体力学方程式模拟,而这是出了名的困难,即使是用超级计算机也是如此。

一般来说,建模者通过将空间划分为三维网格,或者将大量暗物质和普通物质打包分成成群的粒子来解决这个问题。然后,模拟跟踪这些元素之间的相互作用。而冯宇表示,这一过程仅仅是加载模型就消耗了计算机可用内存的90%。

多年来,这样的模拟产生的星系过于臃肿、庞大。但是计算机的功率在增加,更重要的是,辐射物质反馈模型得到了改善。现在,水动力模拟已经开始产生正确数量的拥有正确质量和形状的星系——螺旋形的圆盘、矮胖的椭圆星系、球形的矮星系和古怪的非正规星系,德国海德堡理论研究所宇宙学家Volker Springel说。

“直到最近,模拟领域一直在努力制造螺旋星系,在过去5年里,我们才证明了这可以做到。”Springel说。

推翻结论

Hopkins还表示,现在的模型显示,和人类一样,星系往往经历着不同的生命阶段。年轻时,一个星系精力充沛,而一个接一个的合并,扭曲了它,导致了恒星的形成。在几十亿年后,这个星系开始进入相对平静和稳定的中年时期。之后,它开始衰老——这也是银河系正在经历的转变。但是,Hopkins提到,青春期的狂野和暴力使得任何星系的发展路径都难以预测。

但模型还远远不够完美。它们无法靠近单个恒星建模。研究人员只能使用特别的“子网格”规则描述所有对象的平均行为。“这就像你戴着模糊的眼镜试图描述看不清的图形。”以色列耶路撒冷希伯莱大学宇宙学家Avishai Dekel说。

无论如何,这些模型已经推翻了一些长期以来的假设。例如,天体物理学家相信,当两个像银河系这样的圆盘星系碰撞并融合时,这个过程会把它们变成一个单一的椭圆星系。然而,这些模型显示,如果它们持有足够的气体,螺旋星系比预期的要坚硬。“星系部分幸存并快速恢复。”Springel说。Hopkins也认为,这一发现是一个巨大的惊喜。

加州大学圣克鲁斯分校天文学家Sandra Faber说,决定星系大小的通常解释也被推翻了。天体物理学家认为,星系的大小是由暗物质光环的旋转决定的,而快速旋转的光环则产生更大、更分散的星系。但模拟显示不存在这种联系。“我们现在十分困惑。”Faber说,“那是什么让大星系大,小星系小呢?”

另一方面,普林斯顿大学天体物理学家Eve Ostriker说,她渴望帮助星系模拟的基础更加坚实。研究人员希望将不同大小尺度的结果串在一起,以最大限度地减少对容差系数的需求。Hopkins说:“你想要的是一幅连贯缝合在一起的图片。”

最终,一些研究人员希望通过观察和模拟,能形成针对星系是如何得到它的形状和属性的统一解释。Faber预测,所有星系最终都将只通过两个参数——质量和半径被分类和解释。

但许多星系建模者认为,这些信息总是复杂而不确定的。Springel说,星系的形成可能就像天气一样,因为大自然的无序,它会让精确预测永远无法实现。他说:“我有点担心我们能理解全局,但永远不了解细节。”在这种情况下,星系模拟的日益现实化可能只会强调宇宙的基本复杂性。(唐一尘编译)

《中国科学报》 (2018-06-13 第3版 国际)
 
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