迄今為止最詳盡的宇宙模擬

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】自古以來，哲學家和學者就一直在試圖確定存在是如何開始的。隨著現代天文學的誕生，這一傳統一直延續，並被稱為宇宙學。在超級計算的幫助下，科學家們能夠進行模擬，展示在我們宇宙中最初的恆星和星系是如何形成的，並在數十億年的時間尺度里演化而來。直到最近，最廣泛和最完整的研究是「Illustrus」模擬，它研究了過去130億年間星系形成的過程。

結合氣體溫度(顏色)和激波馬赫數(如亮度)的複合材料。紅色表示在巨大的星系團中心的1000萬開爾文氣體，而明亮的結構則顯示來自星系間介質激波的擴散氣體，在宇宙空洞和細絲之間的邊界處。圖片版權：Illustris Team

為了打破記錄，這個團隊最近開始進行一種名為「Illustrus，下一代」或「IllustrisTNG」的模擬。這些發現的第一輪最近已經發布，預計還會有更多的發現。這些發現發表在最近發表在《皇家天文學會月刊》上的三篇文章中。插圖團隊由海德堡理論研究所的研究人員、馬-普朗克天體物理學和天文學研究所、麻省理工學院、哈佛大學和紐約計算天體物理學中心組成。

這幅圖展示了宇宙的演變，從左邊的大爆炸到現代的右邊。圖片版權：NASA

使用超級計算機的高性能計算中心斯圖加特(hlr)——德國超級計算的三個世界級的設施，包括高斯超級計算中心(GCS)研究小組進行了模擬，將有助於驗證和擴展現有實驗了解宇宙的早期階段， 即從宇宙大爆炸到現在的30萬年後發生了什麼。為了創建這個模擬，團隊將等式(如廣義相對論的理論)和來自現代觀測的數據轉化為一個巨大的計算立方體，它代表了宇宙的一個大橫截面。對於一些過程，如恆星形成和黑洞的生長，研究人員被迫依賴於基於觀測的假設。然後他們用數值模型來模擬宇宙的運動。

與之前的模擬相比，IllustrisTNG在三個不同的解析度下組成了3個不同的宇宙——其中最大的一個測量了10億光年(300個百萬秒)。此外研究小組還對磁場進行了更精確的計算，從而提高了準確度。總的來說該模擬在Hazel Hen超級計算機上使用了24000個核心，共計3500萬個核心小時。作為海德堡理論研究學院的教授和研究員，該項目的首席研究員Volker Springel教授在Gauss中心的新聞稿中解釋道：磁場之所以有趣，有多種原因。對宇宙氣體施加的磁場壓力有時會等於溫度(溫度)的壓力，這意味著如果你忽略了這一點，就會失去這些效應，最終會影響結果。

Illustris模擬概述圖，在投影(頂部/底部)顯示了大尺度的暗物質和氣體密度場。圖片版權：Illustris Project

另一個主要的區別是，根據最近的觀察活動，加入了最新的黑洞物理理論參數。這包括證明超大質量黑洞(SMBHs)和星系演化之間的關聯的證據。從本質上說，SMBHs以輻射和粒子噴射的形式發出大量的能量，這對星系中的恆星形成有顯著的影響。雖然研究人員在第一次模擬過程中確實意識到了這一過程，但他們並沒有考慮如何完全阻止恆星形成。通過在模擬中包括磁場和黑洞物理的更新數據，研究小組發現數據和觀測數據之間的相關性更大。因此對結果更有信心，並且認為這是迄今為止最精確的模擬。

但是正如馬克斯·普朗克天文研究所的物理學家和一個llustricTNG成員所解釋的那樣：如果超級計算機的發展繼續下去，未來的模擬可能會更加精確。下一代系統內存和處理資源的增加將使我們能夠以更高的解析度模擬宇宙的大容量。」大體積對於宇宙學來說是重要的，理解宇宙的大尺度結構，並對下一代大型觀測項目做出堅定的預測。高解析度對於提高我們模擬中單個星系內部的物理模型是很重要的。

氣體密度(左)和磁場強度(右)以最大規模的星系團為中心。圖片版權：Illustris Team

由於GCS工作人員的廣泛支持，這一最新的模擬也成為可能，他們協助研究小組處理與編碼有關的事項。這也是由來自世界各地的研究人員共同努力的結果，並將他們與他們需要的資源配對。最後，但同樣重要的是顯示了應用研究和理論研究之間的合作是如何增加的，從而帶來更好的結果。展望未來，該團隊希望這次最新模擬的結果會比上次更有用。

最初的Illustris是通過2000多名註冊用戶獲得的數據，並發表了130項科學研究。考慮到這一點更加準確和最新，團隊希望它能找到更多的用戶，並帶來更具有突破性的研究成果。也許有一天會創造一個模擬，以完全準確地捕捉我們宇宙的形成和演化。與此同時，模擬由團隊成員和麻省理工學院的物理學家Mark Vogelsberger提供。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：GCS, Illustrus

作者：Matt Williams

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：Universe Today

編譯：中子星

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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