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天文|超级计算机创造了数以百万计的虚拟宇宙来了解星系的进化


像我们的银河系这样的星系是如何形成的?它们是如何随着时间发展和变化的?几十年来 ， 星系形成背后的科学一直是个谜 ， 但是亚利桑那大学(UA)领导的一组科学家借助超级计算机模拟使答案又近了一步 。
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因为在太空中观测真实的星系只能提供快照 ， 所以想要研究星系在数十亿年间是如何演变的话 ， 研究人员不得不重新使用计算机模拟 。 传统上 ， 天文学家使用这种方法一个接一个地发明和检验星系形成的新理论 。 UA Steward天文台的助理教授Peter Behroozi和他的团队克服了这个障碍 ， 他们在一台超级计算机上创造了数百万个不同的宇宙 ， 每个宇宙都遵循星系如何形成的不同物理理论 。
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这些发现发表在《皇家天文学会月报》上 ， 对暗物质在星系形成、星系如何随时间演化以及它们如何产生恒星等基本概念提出了挑战 。
该研究的主要作者Behroozi说:“在电脑上 ， 我们可以创建许多不同的宇宙 ， 并将它们与实际的宇宙进行比较 ， 这让我们推断出哪些规则导致了我们看到的那个宇宙 。 ”
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这项研究第一次创建自洽的宇宙,是确切的复制品:计算机模拟.每个代表实际宇宙的很大一部分,包含1200万个星系,跨越时间从大爆炸后4亿年到现在的一天 。
每一个“前机械姬”宇宙都经过了一系列测试 ， 以评估在生成宇宙和真实宇宙中出现的相似星系 。 与我们的宇宙最相似的宇宙都有相似的基本物理规则 ， 这为研究星系形成提供了一种强大的新方法 。
来自“宇宙机器”(作者称他们的方法为“宇宙机器”)的结果帮助解决了一个长期存在的悖论:为什么星系即使保留了大量的氢气 ， 也不再形成新恒星 ， 而氢气是形成恒星的原材料 。
关于星系如何形成恒星的普遍观点涉及到一种复杂的相互作用 ， 即冷气体在引力作用下坍缩成稠密的口袋 ， 从而形成恒星 ， 而其他过程则抵消了恒星的形成 。
例如 ， 人们认为大多数星系的中心都有超大质量的黑洞 。 落入这些黑洞的物质辐射出巨大的能量 ， 就像宇宙的喷灯一样 ， 阻止气体冷却到足以坍缩成恒星的温床 。 同样 ， 恒星在超新星爆炸中结束了自己的生命 ， 也促成了这一过程 。 暗物质也扮演着重要的角色 ， 因为它提供了大部分作用于星系中可见物质的引力 ， 从星系周围吸引冷气体并在这个过程中加热它 。
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“随着我们回到宇宙的时间越来越早 ， 我们预计暗物质的密度会越来越大 ， 因此气体会越来越热 。 这对恒星的形成是不利的 ， 所以我们认为在早期宇宙中的许多星系应该在很久以前就停止了恒星的形成 。 ”Behroozi说 。 “但我们的发现正好相反:与预期相反 ， 给定大小的星系更有可能以更高的速率形成恒星 。 ”
【天文|超级计算机创造了数以百万计的虚拟宇宙来了解星系的进化】Behroozi解释说 ， 为了与实际星系的观测结果相匹配 ， 他的团队必须创建一个与实际情况相反的虚拟宇宙——在这些宇宙中 ， 星系持续产生恒星的时间要长得多 。
另一方面 ， 如果研究人员根据当前的星系形成理论创造了星系——星系在早期停止形成恒星——那么这些星系看起来比我们在天空中看到的星系要红得多 。
星系呈现红色有两个原因 。 第一个现象在自然界中很明显 ， 它与星系的年龄有关——如果它在宇宙的历史中形成得更早 ， 它就会移动得更快 ， 将光线转移到红色光谱中 。 天文学家称之为红移效应 。 另一个原因是内在的:如果一个星系停止了恒星的形成 ， 它包含的蓝色恒星就会更少 ， 而蓝色恒星通常会更早地消失 ， 只剩下更老、更红的恒星 。
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Behroozi说:“但我们没有看到这种情况 。 ”“如果星系的行为和我们想象的一样 ， 更早停止形成恒星 ， 我们实际的宇宙就会完全错了颜色 。 换句话说 ， 我们不得不得出结论 ， 星系在早期形成恒星的效率比我们想象的要高 。 而这告诉我们的是 ， 超大质量黑洞和爆炸恒星所产生的能量在抑制恒星形成方面没有我们理论预测的那么有效 。 ”
根据Behroozi的说法 ， 创建空前复杂的模拟宇宙需要一种全新的方法 ， 这种方法不受计算能力和内存的限制 ， 而且还提供了足够的分辨率 ， 能够将尺度从“小”(如超新星等单个物体)扩展到可观测宇宙中相当大的一块 。


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