银河模拟终于与现实相匹配 - 并产生了对宇宙演化的惊人见解

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以IllustrisTNG为模型,展示了今天3亿光年的宇宙网络。 星系(金)已经吹走了震惊的气体(白色)。

TNG合作
银河模拟终于与现实相匹配 - 并产生了对宇宙演化的惊人见解

菲利普霍普金斯是帕萨迪纳加州理工学院的理论天体物理学家,他喜欢恶作剧。 作为模拟星系形成的专家,霍普金斯有时会通过将他的作品的图像投影到真实星系的照片旁边并且无视观众来区分它们来开始他的谈话。 “我们甚至可以欺骗天文学家,”FIRE的领导者霍普金斯说,现实环境模拟中的反馈。 “当然,这并不能保证模型的准确性,但这是一种直觉,确保你走在正确的轨道上。”

几十年来,科学家们一直试图模拟可观测宇宙中的数万亿个星系是如何在大爆炸后从气体云中产生的。 但是在过去的几年里,由于更快的计算机和更好的算法,模拟开始产生的结果可以准确地捕捉到各个星系的细节以及它们的质量和形状的整体分布。 “整个事情已经到了这个进步越来越快的黄金时代,”宾夕法尼亚州匹兹堡卡内基梅隆大学的数值宇宙学家Tiziana Di Matteo说道,他是BlueTides模拟的领导者。

随着假宇宙的改善,它们的作用也在发生变化。 几十年来,信息以一种方式流动:从研究真实星系的天文学家到试图模拟它们的建模者。 英国布莱顿大学苏塞克斯分校的星际天文学家斯蒂芬威尔金斯说,现在,洞察力正在以另一种方式流动,这些模型可以帮助指导天文学家,他们在BlueTides工作。 “在过去,模拟总是试图跟上观察结果,”威尔金斯说道,他正在使用BlueTides来预测NASA的詹姆斯韦伯太空望远镜在2020年发射时会看到什么,并且可以追溯到太空并且可以追溯到太久。 “现在我们可以预测到我们没有观察到的事情。”

例如,模型表明最早的星系是奇怪的腌制形状,晶圆薄的螺旋星系在碰撞面前出奇地崎岖不平,为了解释宇宙的演化,星系必须比天体物理学家更快地形成恒星预期。

模拟也听起来很谨慎。 一些宇宙学家希望星系的形成最终会变成一个相对简单的过程,受一些基本规则的支配。 然而,建模者说他们的虚假宇宙表明,像成熟的青少年一样,星系是不可预测的。 例如,很难说出为什么一个变成优美的螺旋而另一个变成一个blob。 “我们所做的一切都清楚地表明,星系形成的物理学非常混乱,”威尔金斯说。

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一些模拟,如FIRE,专注于个别星系。

A. WETZEL,P。HOPKINS和火灾合作

在你烹饪宇宙之前,你需要知道成分。 从各种测量中,宇宙学家已经推断出宇宙中只有5%的质量和能量是恒星和行星中的普通物质。 另外26%由神秘的暗物质组成,到目前为止,它似乎仅通过重力相互作用 - 并且可能由一些未被发现的粒子组成。 剩下的69%是一种能够延伸太空并加速宇宙膨胀的能量形式。 “暗能量”可能是空间本身真空的特性,因此物理学家将其称为宇宙学常数,表示为λ(Λ)。

宇宙学家也知道配方的基本步骤。 宇宙在大爆炸中成为一种热的,浓密的亚原子粒子汤。 在一秒之内,它经历了一种称为膨胀的指数增长突增,它将粒子汤中无限小的量子波动拉伸成巨大的涟漪。 慢慢地,密集的暗物质区域在它们自己的引力下聚结成一团巨大的团块和细丝,称为宇宙网。 被暗物质的引力所吸引,气体沉入团块中,也被称为晕团,并凝结成称为恒星的氢气融合球。 大爆炸后的5亿年后,第一个星系形成了。 在接下来的130亿年中,他们会在宇宙引力潮汐上漂移,并通过相互融合而成长。

计算机模拟有助于发展这一理论。 在20世纪80年代,他们表明,为了形成足以结合观察到的星系团的团块,暗物质粒子必须缓慢移动和冷却。 假定宇宙学常数的基本理论被称为冷暗物质(ΛCDM)。 随着理论越来越精细化,模拟也越来越精细化。 到2005年,由德国Garching的马克斯普朗克天体物理学研究所的研究人员领导的千年模拟产生了宇宙网的渲染,其结构与星系在星系团,线程和片状中穿过空间的方式非常匹配。

然而,千年和类似的模拟遭受了根本性的缺点。 他们模拟了暗物质的引力相互作用,它们很容易模拟,因为据科学家所知,暗物质在没有摩擦或阻力的情况下流过自身。 只有形成光环后,程序才会按照某些特殊规则插入各种大小和形状的星系。 在这样的模拟中,“基本的假设是星系占据了光环并且对它们没有任何作用,”加州大学伯克利分校的宇宙学家余峰说。 “互动只是一种方式。”

现在,建模者包括普通物质与自身的相互作用以及难以捕捉的暗物质过程。 与暗物质不同,普通物质在被挤压时会发热,产生光和其他电磁辐射,然后将物质推向周围。 当气体云层坍缩成发光的恒星,恒星在超新星爆炸中爆炸,黑洞吞噬气体并喷射辐射时,这种复杂的反馈达到极致。 对于星系的行为至关重要,这种物理必须通过使用流体动力学方程来建模,这种方程式很难解决,即使使用超级计算机也是如此。


宇宙网 卫星 星系 超大 黑洞 千万 几年之后 大爆炸 5亿 年份 60亿 年份 当下 (138亿美元 年份) 1 2 3 4 暗物质晕 加油站 天然气 原星系 现在的分布 黑暗和平凡的事物 原始分布 黑暗和平凡的事物 中央 黑洞 超新星 超新星 银河系的生命阶段 星系与宇宙的大规模结构一起发展。 大爆炸,暗物质(蓝色)和普通物质(金色)填充空间不均匀。 然后暗物质在自身的引力下开始聚结成脚手架 被称为宇宙网的团块和细丝。 计算机模型显示如何 普通物质涌入 团块形成第一个小, 不规则形状的星系,其中 合并后随着时间的推移而增长。 4中年 银河系安顿下来。 随着年龄的增长 此外,来自中央的辐射 黑洞最终将驱逐出天然气, 使恒星形成停滞不前。 1出生 星系的种子 躺在茂密的丛中 暗物质叫做 吸引的光环 那个氢气 坍塌成星星。 2童年 随着星星的开启,第一个小原型 - 星系出现,块状和泡状。 冷气流,沿着螺纹流动 暗物质,喂养星系及其星系 中央黑洞。 3青春期 年轻的星系通过 暴力合并,引发爆发 恒星形成,甚至是超新星 吹出气体并限制过程。
C. BICKEL / SCIENCE

一般来说,建模者通过将空间划分为数十亿比特来解决问题,或者通过将空间划分为子体积的三维网格,或者通过将暗物质和普通物质的质量分成粒子群。 然后,模拟跟踪这些元素之间的相互作用,同时通过宇宙时间,例如百万年步长。 计算甚至会使最强大的超级计算机变得紧张。 例如,BlueTides运行在伊利诺伊大学厄巴纳分校的超级计算机Blue Waters上,该计算机每秒可执行13千万亿次计算。 冯说,仅仅装载模型消耗了计算机可用内存的90%。

多年来,这样的模拟产生了太高气压,巨大和破旧的星系。 但是,计算机功率已经增加,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正确质量和形状的星系 - 螺旋盘,深蹲椭圆形,球形矮星和古怪的不规则 - 德国海德堡理论研究所的宇宙学家Volker Springel说道。关于Millennium并领导Illustris模拟。 “直到最近,模拟领域一直在努力制造螺旋星系,”他说。 “只有在过去的5年里,我们才能证明你可以制造它们。”

霍普金斯说,这些模型现在表明,与人类一样,星系往往经历不同的生命阶段。 年轻的时候,一个星系就会活跃起来,随着一次又一次的合并延伸并扭曲它,引起恒星形成的爆发。 经过几十亿年,银河系趋向于陷入一个相对平静和稳定的中世纪。 霍普金斯说,后来,它甚至可以进入衰老状态,因为它失去了气体,能够制造恒星 - 这是我们银河系现在正在制造的转变。 但他说,青春期的狂野和暴力转变使得任何星系的特定路径难以预测。

模拟远非完美。 他们无法接近对单个恒星进行建模 - 尽管模拟指出反馈效应对该尺度的重要性,例如来自超新星和来自星系中心黑洞的风和辐射。 相反,每个网格元素或粒子代表数百到数百万个太阳质量的恒星和气体,具体取决于模拟的分辨率。 然后,研究人员采用临时“子网格”规则来描述所有材料的平均表现。 耶路撒冷希伯来大学的宇宙学家,VELA模拟的领导者Avishai Dekel说:“这就像你正在通过模糊的眼镜观察并试图描述这种你看不到的形状。”

从我们所做的一切都可以清楚地看出,星系形成的物理学非常混乱。

苏塞克斯大学斯蒂芬威尔金斯

这些临时规则包括研究人员调整以复制宇宙已知特征的数十个参数,例如不同质量星系的统计数据。 这种调整提出了一个问题,即模型是解释现实还是仅仅模仿它,就像一幅画。 但是研究人员表示,模型应该是可靠的,只要它们避免强烈依赖于调整的预测。 “我们不会远离子网格处方,没有办法,”迪马特奥说。 “但这不是某种魔法。它仍然是物理学。”

这些模型已经推翻了一些长期存在的假设。 例如,天体物理学家认为,当像我们的银河系这样的两个微妙的盘状星系碰撞并合并时,这个过程会将它们组合成一个圆形的椭圆星系。 然而,模型显示螺旋星系比预期更坚固,如果它们拥有足够的气体。 “你的磁盘部分存活并恢复如此之快,”Springel说。 霍普金斯说,这一发现令人大吃一惊。

加州大学圣克鲁兹校区的天文学家桑德拉·法贝尔(Sandra Faber)表示,对于确定银河系大小的常规解释也已被打倒。 天体物理学家认为,星系的大小是由包围它的暗物质晕的旋转决定的,更快旋转的晕圈会产生更大,更分散的星系,她说。 但她补充说,模拟显示没有这种联系。 “我们现在处于亏损状态,”费伯说。 “是什么让一个大星系大而小的星系变小?”

新生星系的形状令人惊讶。 今天的大多数星系都是球形或扁圆形,就像扁平的球体一样。 椭圆形很厚,像圆形的肥皂; 磁盘更平坦。 但是这些模型预测,在宇宙早期,新兴星系的长度比它们更长,Faber说。 “他们是泡菜,”她说。 “你试图用气体制作泡菜。这并不容易。” 她说,美国宇航局的哈勃太空望远镜已开始发现这些泡状星系的例子。

模型预测观察者可以尝试发现的其他微妙现象。 例如,天体物理学家曾假设气体从各个方向均匀地流入不断增长的星系。 然而,模拟表明,气体在冷流中注入星系,沿着连接其光环与宇宙网的暗物质细丝流动,Dekel说。 阿塔卡马大毫米/亚毫米阵列的观察者已经开始在太空中寻找溪流的证据。

模拟大大小小

有些模型在宇宙尺度上运行,而其他模型则产生个别的,逼真的星系。 他们将空间划分为体积元素或模型物质作为粒子群,然后追踪它们的相互作用。

名称 模拟尺寸(光年) 体积元素/粒子数 最小元素质量(太阳质量) 焦点 第一篇论文
千年 22亿 100亿 1十亿 只有暗物质 2005年
VELA 4500万 5亿 1000 个别星系 2009年
300万-1000万 几亿 - 十亿 200-2000 个别星系 2014
8000万到3.25亿 1亿-70亿 180万 宇宙演化 2014
BlueTides 19亿 7000亿 200万 第一个星系 2015年
IllustrisTNG 1.1亿-1亿 2.7亿-30亿 100万-1000万 宇宙演化 2018

模拟还旨在测试ΛCDM的基本理论。 通过比较真实星系和模拟星系,研究人员可以测试暗物质仅通过重力相互作用的假设。 任何差异都可能指向新的相互作用,并帮助粒子理论家找出暗物质是什么。

到目前为止还没有看到过,但是较新的模拟修补了观测与早期暗物质模拟之间的不匹配。 例如,20年前,这些模拟在较大的周围产生了成群的小暗物质晕,这表明像银河系这样的星系应该被数百颗矮星卫星星系包围。 但只有少数人被发现。 这个赤字被称为失踪卫星问题。

但混合普通物质,预测会发生变化。 暗物质和普通物质之间的引力推拉使得物体平滑,减少了小晕圈的数量。 在那些确实出现的情况下,超新星爆发的风往往会压倒光环相对较弱的引力并吹出气体,使原材料的光环挨饿,制造出更多的恒星并扼杀新生的星系。 Springel表示,随着观察者现在在银河系周围发现了59个矮星系,以及观测和模拟之间的脱节在很大程度上消失,这一过程得到了加入。 “我不认为失踪的卫星问题已成为一个问题,”他说。

同样,较旧的模拟表明,暗物质的浓度应在光晕的正中心处急剧上升。 然而,附近矮星系中恒星的速度表明,在它们的核心中,暗物质在较大的体积上平滑地展开。 新的模拟得到了正确的细节,因为它们捕捉到恒星的引力效应如何激发暗物质并将其扩散出去。 霍普金斯说:“即使恒星只是质量的一小部分,它们也会真正震动光环。”

也许迄今为止模拟的最大教训并不是科学家们需要修改他们的宇宙学总体理论,而是他们在较小尺度上对天体物理学的理解潜伏着。 Springel说,他们的恒星形成理论尤其令人失望。 他说,为了产生逼真的星系,建模者必须大幅降低天体物理学家所期望的气体云形成恒星的速度。 “基本上,分子云形成的恒星比你想象的慢100倍,”他说。

最有可能的是,恒星形成标志,因为来自超新星和超大质量黑洞的反馈将气体驱逐出星系。 不幸的是,这些过程太小而无法在模拟中解决。 当建模者将超新星的能量沉积在更大的网格元素中时,不会发生太多事情:能量只是散发出来,而不是产生风。 同样,研究人员也无法模拟黑洞以气体为食并辐射X射线的合适方式。 为了捕获天体物理学的这些关键部分,建模者必须依赖于他们手动调整的特殊子网格处方。

模拟器希望用更加坚固的物理模型取代这些原始假设。 为了做到这一点,他们希望寻求天体物理学家的帮助,他们研究更精细解决的模型,这些模型可以模拟几微光宽的分子云中恒星的诞生,甚至是个体恒星的演化。 那些规模较小的模型本身正在进行中。 例如,模拟超新星爆炸的天体物理学家仍然很难使他们的虚拟恒星时间炸弹爆炸。

尽管如此,普林斯顿大学宇宙物理学家Eve Ostriker表示,她渴望帮助将星系模拟放在更稳固的基础上。 “我对此感兴趣的是用一些物理代替调整并说'好吧,这就是它,不允许调整,'”她说。 研究人员表示,希望将不同大小尺度的结果串联在一起,以最大限度地减少对软糖因素的需求。 霍普金斯说:“你想要的是一张在整个尺度范围内连贯拼接的画面。”

最终,通过观察和模拟,一些研究人员仍然希望开发一个统一的叙述,可以解释任何星系如何获得其形状和属性。 Faber采取极端的立场,预测所有星系最终都会被分类并通过两个参数来解释:质量和半径。 “我们现在才发现一个简单的星系定律。”

但许多银河建模者认为,食谱总是复杂而且不确定。 Springel说,银河系的形成可能就像天气一样,由于其混乱的性质,它可以永远保持精确的预测。 “我有点担心,我们会了解大局,但从不了解细节,”他说。 在这种情况下,星系模拟的不断增加的现实主义可能仅仅是为了强调宇宙中的基本复杂性。