星系模拟产生对宇宙进化惊人见解

研究人员继续开发宇宙模型，并发现新的宇宙理论。资料来源:TNG协作

菲利普·霍普金斯是加州理工学院的理论物理学家，他喜欢捉弄同事。作为模拟星系形成的专家，霍普金斯有时会在演讲中将他的作品投射在真实的星系照片旁边，这样观众就能区分它们。"我们甚至可以欺骗天文学家。"霍普金斯说，“当然，这并不能保证这些模型是准确的，但是直觉表明你是在正确的轨道上。”

几十年来，科学家一直试图模拟在大爆炸后如何观察数万亿个星系。然而，在过去的几年里，由于计算机速度更快、算法更好，模拟已经开始准确地捕捉单个星系的细节及其质量和形状的总体分布结果。

模拟宇宙

宾夕法尼亚州卡耐基梅隆大学的数字宇宙学家蒂齐亚娜·迪·马特奥说:“整个领域迎来了一个小小的黄金时代，而且进展越来越快。”迪·马特奥也是蓝潮项目的负责人。

随着宇宙模拟的进展，他们的角色也在改变。几十年来，数据开始向一个方向流动:从研究真实星系的天文学家到模拟它们的建模者。英国苏塞克斯大学外星系的天文学家斯蒂芬·威尔金斯(Stephen Wilkins)是蓝潮项目的参与者，他说信息现在正以另一种方式流动，而这些模型反过来又指导天文学家。"过去，模拟总是试图跟上观察的速度."他说。

例如，这些模型显示，最早的星系呈现出奇怪的泡菜形状，而在碰撞期间，极薄的螺旋星系却异常强大，这解释了宇宙的演化，星系形成恒星的速度比天体物理学家预期的要慢得多。

这些模拟也发出了警告。一些宇宙学家希望星系的形成最终会成为一个受一些基本规则支配的相对简单的过程。然而，建模者指出，星系就像慢慢成熟的青少年一样，是不可预测的。"我们可以清楚地看到星系形成的物理现象非常混乱."威尔金斯说。

在你创造一个宇宙之前，你需要知道它的组成。根据各种测量，宇宙学家推断宇宙中只有5%的质量和能量是像恒星和行星这样的普通物质。另外26%由神秘的暗物质组成。到目前为止，它们似乎只通过重力相互作用，可能由未被发现的粒子组成。剩下的69%是一种能扩大空间和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征，所以物理学家称之为宇宙常数。

宇宙学家也知道基本步骤。宇宙是在大爆炸中形成的，最初是由亚原子粒子组成的热汤。在一秒钟内，它经历了指数增长，粒子汤的无穷小的量子涨落变成了巨大的涟漪。在自身重力的作用下，致密的暗物质区域慢慢聚集成巨大的团块和细丝，被称为宇宙网。气体被暗物质的重力吸引，并在质量中沉淀下来，凝结成一个叫做恒星的氢聚变球。在大爆炸后的5亿年里，第一个星系形成了。在接下来的130亿年里，它们将在宇宙的引力潮汐中漂移，并通过相互融合而成长。

持续发展

计算机模拟帮助发展了这个理论。20世纪80年代，研究人员发现，暗物质粒子必须缓慢移动并冷却，才能形成足够大的星系团，来约束观测到的星系团。到2005年，由德国马克斯·普朗克研究所的研究人员领导的千年模拟绘制了一幅宇宙网络的图像，其结构与一些星系的空间分布非常相似。

然而，千禧模拟和类似的模拟有一个根本的缺陷。在这些模拟中，“基本的假设是星系占据了光晕并且对它们没有影响。”加州大学柏克莱分校的宇宙学家冯玉说:“互动是单向的。”

现在，建模者已经整合了普通物质及其自身和暗物质之间的相互作用——这是一个很难捕捉的过程。与暗物质不同，普通物质受到挤压时会变热，产生光和其他电磁辐射，然后推动物质旋转。当气体云坍缩成炽热的恒星，恒星在超新星爆炸中爆炸，黑洞吞噬气体并发出辐射时，这种复杂的反馈达到了极点。这对于星系的行为至关重要，必须用流体动力学方程来模拟，这是出了名的困难，即使是用超级计算机。

一般来说，建模者通过将空间分成三维网格或将大量暗物质和普通物质打包成粒子群来解决这个问题。然后，模拟和跟踪这些元素之间的交互。冯玉说，仅加载模型的过程就消耗了计算机90%的可用内存。

多年来，这样的模拟已经产生了体积过大的星系。但是计算机的功率正在增加，更重要的是，辐射材料的反馈模型已经得到了改进。德国海德堡理论研究所的宇宙学家沃尔克·斯普林格尔说:“现在，流体动力学模拟已经开始产生数量合适、质量和形状合适的星系——螺旋盘、矮胖椭圆星系、球形矮星系和偏心不规则星系。”。

“直到最近，模拟领域一直在努力制造螺旋星系。在过去五年里，我们只证明了这一点。”斯普林格尔说。

推翻一个结论

霍普金斯还说，目前的模型显示，星系和人类一样，经常经历不同的生命阶段。当一个星系年轻时，它充满活力，一个又一个星系融合，扭曲了它，导致了恒星的形成。几十亿年后，银河系开始进入一个相对平静和稳定的中年时期。之后，它开始老化——这也是银河系正在经历的转变。然而，霍普金斯提到，野性和暴力的青春期使得很难预测任何星系的发展路径。

但是这个模型远非完美。它们不能在一颗恒星附近建模。研究人员只能使用特殊的“子网格”规则来描述所有对象的平均行为。“这就像你戴着模糊的眼镜试图描述一个看不见的人。”耶路撒冷希伯来大学的以色列宇宙学家阿维沙伊·德克尔说。

无论如何，这些模型推翻了一些长期以来的假设。例如，天体物理学家认为，当像银河系这样的两个盘状星系碰撞合并时，这个过程会将它们转变成一个单一的椭圆星系。然而，这些模型显示，如果螺旋星系含有足够的气体，它们会比预期的更加坚硬。"银河系的一部分幸存下来并很快恢复。"斯普林格尔说。霍普金斯还认为这一发现是一个巨大的惊喜。

加州大学圣克鲁斯分校的天文学家桑德拉·费伯说，通常对星系大小的解释也被推翻了。天体物理学家认为，星系的大小是由暗物质环的旋转决定的，而快速旋转的环会产生更大、更分散的星系。但是模拟显示没有这种联系。“我们现在非常困惑。”费伯说，“是什么让大星系变大，小星系变小？”

另一方面，普林斯顿大学的天体物理学家伊芙·奥斯特里克说，她渴望帮助为星系模拟打下更坚实的基础。研究人员希望将不同大小的结果串在一起，以尽量减少对容差系数的需求。霍普金斯说:“你想要的是一张拼接在一起的照片。”

最后，一些研究者希望通过观察和模拟，可以对星系如何获得它们的形状和性质形成一个统一的解释。费伯预测，所有的星系最终都将被分类，并仅通过两个参数来解释——质量和半径。

但是许多星系建模者认为这些信息总是复杂和不确定的。斯普林格尔说，星系的形成可能就像天气一样，因为自然界的紊乱，它永远不可能做出准确的预测。他说:“我有点担心我们能了解整体情况，但我们永远不会知道细节。”在这种情况下，越来越现实的星系模拟可能只会强调宇宙的基本复杂性。(唐毅宸编译)

中国科学新闻(2018-06-13，第三版国际版)