科學家造出模擬宇宙，暗物質、黑洞、星雲應有盡有，且栩栩如生

宇宙模型IllustrisTNG當中一個10 Mpc區域的磁場演變（Mpc：百萬秒差距，天體間距離單位，1Mpc約為326萬光年）。低磁能區域呈現出藍色和紫色，橙色和白色則對應暗物質暈和星系內的高磁能區域。

本世紀初，一群程序員兼宇宙學家開始著手在一部超級計算機上模擬宇宙140億年的歷史。他們的目標是創建一個宇宙模型，一個計算機代碼中的宇宙學學習指南，這個模型只需要運行數個月，而不是億萬年，從而可以用作研究真實宇宙的實驗室。

可惜的是，當時的模擬一敗塗地。就像培養皿中的突變細胞一樣，模擬的星系全都出了錯。它們變成了過度閃耀的亮斑，而不是平緩旋轉的螺旋。當研究人員在星系中心編入超大質量黑洞時，那些黑洞要麼把星系變成了「甜甜圈」，要麼像逡巡的怪物一樣，從星系中心漂移出去。

但近來，科學家似乎已經開始掌握創造宇宙的技藝。他們把物理定律應用於一種（模擬出來的）光滑熱流體物質——這樣的物質可見於嬰兒時期的宇宙——然後，觀察流體演變為我們如今在宇宙中看到的那些螺旋星系和星系團。

質的飛躍：宇宙模擬逼真度前所未有

卡內基梅隆大學的物理學教授蒂齊亞納·迪馬特奧參與開發了MassiveBlack-II和BlueTides宇宙模擬。

「我當時的反應是，我簡直不敢相信！」卡內基梅隆大學的宇宙學家蒂齊亞納·迪馬特奧（Tiziana Di Matteo）說。她指的是自己在2015年看到BlueTides模型首次運行生成了逼真的螺旋星系。BlueTides是幾個正在持續進行的模擬項目之一。「你會大吃一驚，因為那只是一堆代碼，不是嗎？」

隨著宇宙模擬的逼真度出現質的飛躍，研究人員現在已經把這些模型用作實驗室。每次運行後，他們都可以查看自己的代碼，弄清模擬宇宙中的某些特徵如何出現、為何出現，而且，還有可能解釋真實宇宙中發生的事情。這些模型為科學家解釋宇宙中84%的不可見物質提供了啟發，這便是科學家長久以來尋找的似乎充斥在星系之中的「暗物質」。此前，科學家用天文望遠鏡觀測真實星系時，得到了一些令人困惑的結果，繼而引發了對標準暗物質假說的質疑，而現在，最先進的宇宙模擬正在對那些結果做出解釋。

此外，有了這些模型，包括迪馬特奧在內的研究人員能夠以虛擬方式訪問位於星系中心的超大質量黑洞。對我們來說，這些在宇宙初期形成的黑洞仍然是一個謎。「現在，我們正面臨一個令人興奮的時機，我們可以真正利用這些模型，做出全新的預測。」迪馬特奧說道。

那些年，宇宙模擬走過的彎路

以往，大多數宇宙模型甚至都沒有去嘗試生成逼真的星系，它們僅僅對暗物質進行了建模。按照標準假說，暗物質只存在引力上的相互作用，這使得暗物質的編碼工作比我們能夠看到的複雜原子物質要容易得多。

通過這種僅對暗物質建模的宇宙模型，科學家發現，暗物質的圓形「暈」會自發形成適當的大小和形狀，而可見的星系可能就嵌在裡面。德國海德堡大學程序員兼宇宙學家沃爾克·斯普林格爾（Volker Springel）說，「這些計算讓我們確信，儘管如今的標準宇宙模型中存在兩個奇怪的組成部分——暗物質和暗能量——但對於宇宙中正在發生的事情，它其實是一種很有潛力的預測工具。」

之後，研究人員開始在代碼中添加可見物質，這極大地增加了工作難度。與暗物質暈不同，隨著宇宙的成形，相互作用的原子進行了複雜的演化，產生了像恆星和超新星這樣的奇妙天體。程序員無法把完整的物理定律編入模型中，他們不得不進行簡化和省略。在這個問題上，不同的團隊採用了不同的解決方法，自行挑選他們認為重要的天體物理學定律，並編入模型。

然後，在2012年，德國萊布尼茨天體物理研究所的塞西莉亞·史坎納皮科（Cecilia Scannapieco）所做的一項研究給這個領域敲響了警鐘。「她說服一幫人用他們各自的代碼模擬同一個星系。」加拿大麥克馬斯特大學的詹姆斯·沃茲利（James Wadsley）說道，他曾參與上述研究。「所有人都搞錯了。」他們的星系看起來都不一樣，而且「每個人都生成了太多的恆星。」

Henize 70是一個由熱膨脹氣體組成、橫越大約300光年的超級氣泡，它位於銀河系衛星星系之一大麥哲倫星系的內部。

沃茲利說，史坎納皮科的研究既「令人尷尬」，又非常鼓舞人心：「那時候人們才更加確信，意識到他們需要黑洞和超新星來讓模型更好地運行」，從而生成更加逼真的星系。他和其他研究人員解釋說，在真實的星系中，恆星的生成數量是在減少的。隨著星系的燃料越來越少，它們的光線燃燒殆盡，而且沒有新的恆星提供補充。但在模型中，處在生命末期的星系「仍在瘋狂地生成恆星」，因為氣體沒有被剔除出去。

兩個重要升級

最新一代的模擬已經解決了該問題，這是通過兩個重要升級實現的，第一個是在螺旋星系的中心增加了超大質量黑洞。作為時空結構中極度緻密的無底洞（有些黑洞的質量超過了10億顆太陽），黑洞充當了消耗燃料的發動機，它們胡亂地將周圍的恆星、氣體和塵埃吞噬一空，並以光劍一般的光束向外噴射碎片，這種現象稱為黑洞噴流。如今螺旋星系生成的恆星數量少於以往，超大質量黑洞便是主要原因。

另一個新的關鍵組成部分是超新星和「超級氣泡」——這些氣泡源自數百個超新星快速連續爆發形成的聯合衝擊波。在一個超級氣泡中，「一個小型星系可能在數百萬年的時間裡分崩離析」，沃茲利說道。他在2015年把超級氣泡編入了一個名為GASOLINE2的模型。「它們是非常瘋狂的極端天體。」它們之所以會出現，是因為恆星傾向於成群地誕生和毀滅，隨著龐大的氣體星雲發生坍縮，成千上萬的恆星相繼成形；之後，經過大約100萬年，它們又一個個地發生超新星爆發。超級氣泡能將整個區域乃至整個小型星系中的氣體和塵埃清除一空，這能抑制恆星的生成，並在恆星再次坍縮前，攪動它噴射出來的物質。把超級氣泡加入模型之後，模擬出來的小型星系就變得更加逼真了。

吉利安·貝羅瓦里是紐約皇后社區學院和美國自然歷史博物館的宇宙學家，她把黑洞代碼編入了GASOLINE模型當中。

吉利安·貝羅瓦里（Jillian Bellovary）是紐約皇后社區學院和美國自然歷史博物館的宇宙學家，她編寫了第一批黑洞代碼，並在2008年把它們添加到GASOLINE模型中。她省略或簡化了大量物理定律，並編寫出一個方程式，根據氣體的密度和溫度來確定黑洞應該消耗多少氣體，此外，再通過第二個方程式來表明黑洞要釋放出多少能量。後來，其他人在貝羅瓦里的研究基礎上進一步改進，最重要的成果是弄清楚了如何讓黑洞固定在模擬星系的中心位置，以及如何阻止它們噴射出太多氣體，避免讓星系變成「甜甜圈」。

同時為上萬個星系模擬所有這些物理定律，這需要巨大的計算能力和聰明才智。現代超級計算機基本上已經把可以封裝在單塊晶元上的晶體管數量做到了極致，它們可以讓多達10萬個處理器核心進行並行運算。程序員必須弄清楚如何分配這些處理器核心，這並非易事，尤其考慮到模擬宇宙中的某些部位正在進行快速和複雜的演變，而另一些部位卻沒什麼動靜，然後條件可能在瞬時之間發生變化。研究人員已經找到了應對這種大範圍變動的方法，即根據需求，利用演算法對計算機資源進行自適應分配。

此外，研究人員還克服了一系列數理邏輯上的挑戰。例如，貝羅瓦里說，「如果你有兩個吞噬相同氣體的黑洞，而它們位於超級計算機兩個不同的處理器上，你如何才能不讓黑洞吞噬相同的粒子？」她指出，並行處理器「必須能相互交流才行。」

最終，這些模擬表現不錯，具備了用於科學研究的水平。利用BlueTides模型，迪馬特奧及其同事專註於研究宇宙頭6億年的星系形成特點。在那段時期，超大質量黑洞以某種方式進入暗物質暈的中心，並幫助那些可見的氣體和塵埃在自己周圍形成旋轉的「裙邊」。而它們如何膨脹得這麼快、這麼大？我們不得而知。

正如BlueTides模型所展示的，一種可能性是，超大質量黑洞是宇宙在嬰兒時期，其超緻密區域內的龐大氣體雲團發生引力坍縮後自發形成的。「我們已經使用BlueTides模型來預測真實宇宙中這第一批星系和黑洞是什麼樣子。」迪馬特奧說。在模型中，他們看到，腌黃瓜形狀的原始星系和微型螺旋星系在新生的超大質量黑洞周圍成形。當未來的天文望遠鏡（包括定於2020年發射的詹姆斯韋伯太空望遠鏡）對準深空、回溯星系誕生之時，觀測結果將對這些被編入模型的方程式進行驗證。

調整、改進和升級

在宇宙模擬領域，加州理工學院的菲爾·霍普金斯（Phil Hopkins）教授是另一位領軍人物。他的FIRE模型以高解析度模擬了宇宙中相對較小的一部分。霍普金斯「以其他很多人不曾做到的方式提高了解析度。」沃茲利說，「他模擬的星系看上去非常逼真。」霍普金斯和他的團隊生成了一些最為逼真的小型星系，比如繞著銀河系運行的衛星星系「矮星系」。

這些模糊的小型星系一直令科學家感到不解。例如，「衛星缺失問題」就是指，根據冷暗物質標準模型，應該有數百個衛星星系繞著每個螺旋星系旋轉。但是，銀河系只有數十個這樣的衛星星系。這促使一些物理學家開始考慮創建更複雜的暗物質模型。然而，當霍普金斯及其同事把真實的超級氣泡編入他們的模型後，他們看到，很多過剩的衛星星系消失不見了。而且，霍普金斯還發現了另外兩個問題的潛在解決方案，即「峰-核「問題和「大到不能倒」問題，它們曾經對冷暗物質範式構成困擾。

利用經過升級的模型，沃茲利、迪馬特奧和其他人也為暗物質確實存在的觀點提供了支持。可以說，有關暗物質揮之不去的最大疑問，是星系可見部分之間的奇怪關係。也就是說，恆星圍繞星系運行的速度，跟它們軌道上可見物質的數量密切相關——即便恆星的運行同樣受到暗物質暈引力的驅動。有太多的暗物質會加速恆星，以至於你不會認為恆星的運動與可見物質的數量有很大關係。要讓這種關係能夠在暗物質框架內成立，星系中暗物質和可見物質的數量必須經過微調，以使它們彼此緊密相關，同時還要讓星系旋轉速度與其中任意一個產生關聯。

另一種名為「修正牛頓引力理論」（MOND）的理論則認為，暗物質根本不存在；可見物質在星系外圍區域產生的引力超出預期。通過對牛頓著名的萬有引力定律進行微調，MOND能夠廣泛地匹配天文學家觀測到的星系旋轉速度（不過，對於其他一些被認為是由暗物質造成的現象，MOND就無法解釋了）。

這個微調問題在2016年似乎變得尖銳了。當時，凱斯西儲大學宇宙學家斯特西·麥高（Stacy McGaugh）及其合作者證明了，在一系列真實星系中，恆星旋轉速度與可見物質之間有著很強的關聯。不過，麥高的論文很快在宇宙學界遭遇了三重反駁。三支研究團隊——一支由沃茲利率領，一支由迪馬特奧領銜，還有一支的負責人是維多利亞大學的胡里奧·納瓦羅（Julio Navarro）——發布了模擬結果，顯示在充斥暗物質的星系裡，也會自然出現那樣的關聯。

在對冷暗物質暈做了標準假設後，研究人員模擬了跟麥高研究樣本中一樣的星系。這些模擬星系最終呈現出與實際觀察結果非常相似的線性關係，表明暗物質確實與可見物質緊密相關。「我們的研究結果基本上符合它們之間的關聯。」沃茲利說。他和自己當時的學生本·凱勒（Ben Keller）在看到麥高的論文之前便進行了模擬。「所以我們覺得，我們不用對自身的模型做出任何調整，就能重現這種關聯，這本身就很能說明問題。」

海德堡大學的沃爾克·斯普林格爾教授開發了GADGET和AREPO模型代碼，它們被用於最先進的IllustrisTNG模擬。

在一個目前正在運行的模型中，沃茲利生成了一個更大體積的模擬宇宙，以此來測試這種關聯是否適用於麥高樣本中的全部星系類型。如果確實如此，那麼，冷暗物質假說似乎便能擺脫這個窘境。至於為什麼星系中的暗物質和可見物質會如此緊密相關，納瓦羅及其同事（基於模型）將之歸因於星系形成期間，與引力一起發揮作用的角動量。

除了暗物質問題之外，星系模擬還在繼續改進，並反映了其他的未知因素。正在進行當中的IllustrisTNG系列模擬頗受讚譽，該項目由斯普林格爾及其合作者主持，他們首次大規模地把磁場引入到模擬當中。「磁場在天文學中就像一個幽靈。」貝羅瓦里解釋道。它們在星系動力學中扮演的角色鮮為人知。斯普林格爾認為，磁場可能對星系風（這是宇宙中的另一個謎團）產生影響，而模擬結果將驗證這一點。

霍普金斯說，他們的一大目標是把多個模擬組合在一起，那些模擬各自研究的是不同的時間範圍和空間尺度。「我們想做的就是把所有的尺度結合起來。」他說，「我們可以在各個階段使用較小尺度的理論和觀察結果，然後得出在所有尺度上需要的理論和輸入值。」

研究人員表示，在模型不斷得到改進的情況下，一場哲學辯論已經出現，辯論的主題就是：何時可以說「夠好了」。向模型中添加太多天體物理的虛飾之物，最終會限制它們的實用性，因為這將使其中的因果關係變得更加複雜，令我們愈加難以分辨。正如沃茲利所言，「我們只是在觀察一個虛假而非真實的宇宙，而且還無法理解它。」

翻譯：何無魚

編輯：李莉

來源：Quanta Magazine

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