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迄今最详细的宇宙模型:了解宇宙早期形成历史

2018-2-17 23:41| 作者: admin | 评论:

   北京时间2月17日消息,据国外媒体报道,计算机科学家制作出了目前为止最为详细的宇宙模型。该模型被称为“Illustris: The Next Generation”,简称为“IllustrisTNG”,据说对宇宙中各种作用力的模拟达到了前所未有的精细水平。

  科学家表示,这一先进的计算机模型所提供的细节和规模,使他们能够观察星系如何在超过130亿年的时间跨度内形成、演化、成长和促成新恒星形成的过程。他们已经利用该模型来进一步揭示黑洞对暗物质分布的影响、重元素如何产生和分布以及磁场起源等问题。

  “当我们通过望远镜观察星系时,我们只能测量特定的参数,” 美国西蒙斯基金会Flatiron研究院计算天体物理学中心的夏伊·杰内尔(Shy Genel)博士说,“有了这一模型,我们就能追踪所有这些星系的所有特征。不仅能看到这些星系现在的情况,而且能了解它全部的形成历史。”

科学家认为震荡波可能在宇宙形成中发挥了作用。Illustris可视化图像显示了塌缩暗物质结构(橙色和白色)周围宇宙气体(蓝色)中震荡波的强度。与超音波音爆类似,震荡波中的气体在撞上宇宙纤维和星系时也会因为剧烈振动而加速。  科学家认为震荡波可能在宇宙形成中发挥了作用。Illustris可视化图像显示了塌缩暗物质结构(橙色和白色)周围宇宙气体(蓝色)中震荡波的强度。与超音波音爆类似,震荡波中的气体在撞上宇宙纤维和星系时也会因为剧烈振动而加速。

  为了建立这一模型,科学家使用了从宇宙微波背景辐射中搜集的最早期宇宙证据,这些证据都是宇宙大爆炸时残留下来的。利用这些数据,计算宇宙学家模拟了宇宙年龄只有数十万年时的情况。

  在这个虚拟宇宙中,科学家加入了重子物质(能形成恒星和行星)、暗物质(使星际结构得以形成)和暗能量(宇宙加速膨胀背后的神秘力量)。除了这些,模型中还加入了描述超新星爆发和黑洞的方程。

  海德堡理论研究所(Heidelberg Institute for Theoretical Studies)的沃克尔·斯普林吉(Volker Springel)是开发该模型的国际研究团队成员之一,他说:“特别迷人的一点是,我们可以在大尺度上准确预测超大质量黑洞对物质分布的影响,这对接下来可靠地解释宇宙学测量结果至关重要。”

  麻省理工学院的物理学助理教授马克·沃格斯伯格(Mark Vogelsberger)一直致力于开发、测试和分析IllustrisTNG模型。他利用该模型展示了高温稀薄气体的湍动如何驱动小型“磁发电机”——能以指数级数放大星系核心处的磁场,该模型还准确预测了这些磁场的观测强度。

  “IllustrisTNG的高分辨率加上其精密的星系形成模型,使我们在探索这些磁场问题时能比之前任何宇宙模型都更加详细,”沃格斯伯格说道。他和其他研究者在近期的《皇家天文学会月报》(Monthly Notices of the Royal Astronomical Society)上发表了三篇文章,对这项工作进行了阐述。

IllustrisTNG模型中的一小部分宇宙结构。亮度代表质量密度,而颜色代表了普通物质的气态温度。图中区域从左到右的跨度约为12亿光年,其背后的模拟是目前对星系形成最大规模的磁流体动力模拟,包含了超过300亿体积的元素和粒子。  IllustrisTNG模型中的一小部分宇宙结构。亮度代表质量密度,而颜色代表了普通物质的气态温度。图中区域从左到右的跨度约为12亿光年,其背后的模拟是目前对星系形成最大规模的磁流体动力模拟,包含了超过300亿体积的元素和粒子。

  相比直径大约为930亿光年的可观测宇宙,计算机模型中的宇宙跨度只有10亿光年,而该研究团队在四年前所开发的模型跨度约为3.5亿光年。

  这是目前对宇宙最大规模的模拟,利用该模型,科学家可以追踪数以百万计的星系如何形成,探索宇宙结果的发展。该模型预测了一个由气体和暗物质组成的宇宙网,二者相互作用产生的星系与现实宇宙中的星系有着相似的形状和大小。

  德国马克斯普朗克天体物理学研究所的迪伦·尼尔森(Dylan Nelson)博士指出,正在形成恒星的星系会由于年轻恒星的蓝光而显得十分明亮,直到一场演变突然中止了恒星的形成过程,此时该星系就会变成一个以剩余旧恒星为主的星系。

这张计算机模拟图像显示了高温气体从极为活跃的星系中喷涌而出的场景。图中黑色区域的气体几乎静止,而白色区域的气体速度可以超过每秒1000公里。相比宇宙纤维中的气体运动,超大质量黑洞(图片中央)周围的气体运动显得高速而混乱。  这张计算机模拟图像显示了高温气体从极为活跃的星系中喷涌而出的场景。图中黑色区域的气体几乎静止,而白色区域的气体速度可以超过每秒1000公里。相比宇宙纤维中的气体运动,超大质量黑洞(图片中央)周围的气体运动显得高速而混乱。

  尼尔森解释道:“在巨大的椭圆形星系中,唯一能够中止恒星形成的物理实体就是星系中心的超大质量黑洞。这些引力陷阱的超高速喷流能达到10%的光速,并影响比小型黑洞打赏数十亿倍的巨型恒星系统。”

  此外,这些模拟还能预测宇宙网随时间的变化,特别是与暗物质的联系。据估计,暗物质组成了26.8%的宇宙。相比之下,普通物质只占可观测宇宙的4.9%,剩余的68.3%则是暗能量。

  “现在我们的预测可以交给观测者进行系统的验证,”马克斯普朗克天文学研究所的安娜丽莎·皮尔皮奇(Annalisa Pillepich)说,“对星系形成的等级理论模型而言,这是一次非常重要的验证。”(任天)

责编:霏雯
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