來自德國和美國的科學家公布了最新完成的,最新的星系演化模擬結果。TNG50是迄今為止最詳細的大規(guī)模宇宙學模擬。它使研究人員能夠詳細研究自大爆炸之后不久星系的形成方式以及它們如何演化。這是第一次揭示出繞著星系流動的宇宙氣體的幾何形狀決定了星系的結構,反之亦然。研究人員將其結果發(fā)表在《皇家天文學會月刊》上的兩篇論文中。
進行宇宙模擬的天文學家面臨一個基本的權衡:憑借有限的計算能力,到目前為止,典型的模擬要么非常詳細,要么跨越了大量的虛擬空間,但到目前為止卻無法做到。有限體積的詳細模擬最多只能模擬幾個星系,因此很難進行統計推論。反過來,大容量模擬通常缺少重現我們在自己的宇宙中觀察到的許多小規(guī)模屬性所需的細節(jié),從而降低了其預測能力。
剛剛發(fā)布的TNG50模擬能夠避免這種折衷。它首次將大規(guī)模宇宙學模擬(盒子中的宇宙)的思想與“縮放”模擬的計算分辨率結合在一起,其詳細程度以前只能用于研究單個星系。
在一個超過2.3億光年的模擬空間立方體中,TNG50可以辨別發(fā)生在規(guī)模小一百萬倍的規(guī)模上的物理現象,追蹤在138億年的宇宙歷史中成千上萬個星系的同時演化。這樣做有超過200億個代表暗(不可見)物質,恒星,宇宙氣體,磁場和超大質量黑洞的粒子。計算本身需要在斯圖加特的Hazel Hen超級計算機上使用16,000個內核,并且以24/7的速度協同工作一年以上-相當于在單個處理器上一萬五千年,使其成為迄今為止最苛刻的天體物理計算之一。
TNG50的首批科學結果由Annalisa Pillepich博士(馬克斯·普朗克天文學研究所,海德堡)和Dylan Nelson博士(馬克斯·普朗克天文物理研究所,加爾興)領導的團隊發(fā)表,揭示了無法預料的物理現象。尼爾森說:“這種數字實驗在您投入更多精力之后尤其成功。在我們的仿真中,我們看到未明確編程到仿真代碼中的現象。這些現象以自然的方式出現,從模型宇宙的基本物理成分之間復雜的相互作用。”
TNG50具有兩個突出的例子來說明這種緊急情況。第一個問題涉及像我們自己的銀河系一樣的“盤狀”星系的形成。使用模擬作為時間機器來倒回宇宙結構的演化,研究人員已經看到,秩序井然,快速旋轉的盤狀星系(在我們附近的宇宙中很常見)是如何從混亂,雜亂無章,高度湍流的氣體云中出現的較早的時代。
隨著氣體的沉降,通常會在越來越多的圓形軌道上發(fā)現新生恒星,最終形成大型旋渦星系-銀河轉盤。Annalisa Pillepich解釋說:“實際上,TNG50表明我們擁有薄盤狀的銀河系正處于銀河系時尚的頂峰:在過去的100億年中,至少那些仍在形成新恒星的星系已變得越來越多像盤一樣,它們的混亂內部運動大大減少了。當它只有幾十億年的歷史時,宇宙就更加混亂了!”