皇家天文学会公布:迄今为止最详细的大规模宇宙演化模拟!

皇家天文学会公布:迄今为止最详细的大规模宇宙演化模拟!
2019年11月08日 00:14 新浪网 作者 博科园

科学家们现在公布了一项新完成且最先进的星系演化模拟结果,TNG50是迄今为止最详细的大规模宇宙演化模拟,这个模拟使研究人员能够详细研究星系是如何形成的,以及自大爆炸后不久以来星系是如何演化的。第一次揭示了围绕星系的宇宙气体流动几何形状决定了星系结构,反之亦然,其研究结果发表在《皇家天文学会月刊》上。运行宇宙学模拟的天文学家面临着一个基本权衡:由于计算能力有限,到目前为止,典型的模拟要么非常详细,要么跨越了大量的虚拟空间,但到目前为止还不能同时做到这两点。

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有限体积的详细模拟只能模拟几个星系,使得统计推断很困难。反过来,大规模模拟通常缺乏必要细节来再现在宇宙中观察到的许多小尺度属性,而降低了预测能力。新发布的TNG50模拟设法避免了这种权衡,这是它第一次将大规模宇宙学模拟(盒子中的宇宙)与“缩放”模拟的计算分辨率结合在一起,其细节水平以前只有单个星系的研究才有可能实现。在一个直径超过2.3亿光年的模拟空间立方体中,TNG50可以识别发生在100万倍尺度上的物理现象,追踪数千个星系在138亿年宇宙史上的同步演化。

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通过模拟物质、恒星、宇宙气体、磁场和超大质量黑洞的200亿多个粒子做到了这一点,这个计算本身需要斯图加特Hazel Hen超级计算机上的16000个内核,协同工作一年多,相当于在一个处理器上工作一万五千年,使其成为迄今为止要求最高的天体物理计算之一。TNG50的第一批科学结果由Annalisa Pillepich博士(Max Planck Institute for Astronomy,Heidelberg)和Dylan Nelson博士(Max Planck Institute for AstroPhysical,Garching)领导的团队发表,揭示了不可预见的物理现象。

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当输出比输入更多的时候,这种数值实验尤其成功,在模拟中,看到了没有明确编程到模拟代码中的现象。这些现象以自然的方式出现,来自模型宇宙基本物理成分的复杂相互作用。TNG50的特点是这种有两个突出的例子,第一个是关于“圆盘”星系的形成,就像银河系。使用模拟作为一台时间机器来倒退宇宙结构的演变,研究人员已经看到了有序、快速旋转的圆盘星系是如何在更早的时期从混乱、混乱和高度动荡的气体云中出现。随着气体稳定下来,新生恒星通常会出现在越来越多的圆形轨道上,最终形成大型螺旋星系--星系传送带。

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TNG50表明银河系及其薄盘处于星系发展的巅峰:在过去100亿年中,至少那些仍在形成新恒星的星系已经变得越来越圆盘状,它们的混乱内部运动已经大大减少,宇宙在几十亿岁的时候就更混乱了!随着这些星系逐渐变平,研究人员发现了另一种新兴现象,涉及到高速的气体外流和星系外气流。这是由大质量恒星(超新星)的爆炸和位于星系中心超大质量黑洞的活动所引起。银河气体流出最初也是混乱的,向各个方向流动,但随着时间的推移,它们开始沿着阻力最小的路径变得更加集中。

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在宇宙晚期,从星系流出的物质以两种球果的形式出现,它们以相反的方向出现——就像把两个冰淇淋球果首尾相连,星系在中心打转。当这些物质试图离开银河系不可见或暗物质光环的引力阱时,它们的流动速度会减慢,最终会停止并后退,形成一个循环气体的星系喷泉。这一过程将气体从星系中心重新分配到其外围,进一步加速了星系自身向薄圆盘的转变:星系结构塑造了星系喷泉,反之亦然。创建TNG50的科学家团队(位于加兴和海德堡的马普研究所、哈佛大学、麻省理工学院和计算天体物理中心(CCA))将最终向整个天文学社区和公众发布所有的模拟数据。

博科园|研究/来自:英国皇家天文学会

参考期刊《皇家天文学会月刊》

DOI: 10.1093/mnras/stz2338

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