“宇宙机器”模拟出超过800万种宇宙！

　　像银河系这样的星系如何形成？这些星系如何随着时间的推移而成长和改变？星系形成背后的科学原理几十年来一直是个谜，但现在亚利桑那大学领导的一个科学家团队通过超级计算机模拟离找到答案又近了一步。在太空中观察真实的星系只能提供时间上的快照，因此想要研究星系在数十亿年里是如何演化的，科学家们不得不求助于计算机模拟。

　　天文学家用这种方法一个接一个地发明和测试星系形成的新理论。UA Steward天文台助理教授Peter Behroozi和研究团队克服了这个障碍，在一台超级计算机上生成了数百万个不同的宇宙，每个宇宙都遵循不同的物理理论来解释星系应该如何形成。这一发现发表在《皇家天文学会月刊》上，挑战了暗物质在星系形成、星系如何随时间演化以及恒星如何诞生等方面所起作用的基本观点。

　　这项研究的主要作者贝鲁奇(Behroozi)说：在计算机上，可以创建许多不同的宇宙，并将模拟宇宙与实际宇宙进行比较，这可以推断出哪些定律成就了我们今天所看到的真实宇宙。这项研究是第一个创造出自我一致的宇宙研究，这些模拟宇宙都是真实宇宙的精确复制品：

　　计算机模拟每一个都代表了真实宇宙相当大的一部分，包含1200万个星系，时间跨度从宇宙大爆炸后的4亿年到今天。每个模拟宇宙都经过一系列测试，以评估在模拟宇宙中，与真实宇宙相比，类似的星系如何出现。与宇宙最相似的模拟宇宙都有着相似基本物理规律，这为研究星系形成提供了一种强有力的新方法。“宇宙机器”的研究结果，正如作者们所称的那样：帮助解决了一个长期存在的悖论，即为什么星系即使保留了大量的氢气(恒星形成的原料)，也会停止形成新恒星。

　　关于星系如何形成恒星的普遍观点涉及到冷气体在重力作用下坍缩成致密的小块，从而产生恒星的复杂相互作用，而其他过程抵消了恒星的形成。例如，人们认为大多数星系的中心都有超大质量黑洞，落入这些黑洞的物质会释放出巨大能量，就像宇宙喷灯一样，阻止气体冷却到足以坍缩成恒星托儿所的程度。同样，在超新星爆炸中结束生命的恒星也参与了这一过程。

　　暗物质也扮演着重要角色，因为它提供了作用于星系中可见物质的大部分引力，从星系周围吸入冷气体，并在此过程中使其升温。当回到宇宙中越来越早的时候，预计暗物质的密度会越来越大，因此气体会变得越来越热。这不利于恒星的形成，所以研究人员认为早期宇宙中的许多星系应该在很久以前就停止形成恒星了。但却发现了相反的情况：特定大小的星系更有可能以更高速度形成恒星，这与预期相反。

　　为了与实际星系的观测结果相匹配，研究团队必须创造出与之相反的虚拟宇宙，在这个虚拟宇宙中，星系持续大量产生恒星的时间要长得多。另一方面，如果研究人员根据目前的星系形成理论创造宇宙（宇宙中星系在早期停止形成恒星）这些星系看起来比天文学家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是显而易见的，这与星系的年龄有关——如果星系形成于宇宙历史的早期。

　　那么它将以更快的速度远离地球，将光线转换成红色光谱，天文学家称这种效应为红移。另一个原因是内在的：如果一个星系已经停止形成恒星，那么星系所包含的蓝色恒星就会减少，而蓝色恒星通常会消亡的更快，只剩下更古老、更红的恒星。但并没有这样看到，如果星系行为像我们想象的那样，并且更早地停止形成恒星，那么真实的宇宙就会被“涂上”完全错误的颜色。

　　换句话说，星系在早期形成恒星的效率比想象的要高。这表明，超大质量黑洞和爆炸恒星产生的能量抑制恒星形成的效率，低于理论预测。所以，创造前所未有的复杂模拟宇宙需要一种全新方法，不受计算能力和内存的限制，并提供足够的分辨率，从“小”物体(如超新星)到可观测宇宙中相当大的一块区域。模拟一个星系需要10的48次方次计算操作，地球上所有的计算机加起来一百年也做不到这一点。

　　所以，仅仅为了模拟一个星系，更不用说1200万个星系了，但为了做到这一点，必须用不同的方法。除了利用美国宇航局艾姆斯研究中心和位于德国莱布尼兹-雷琴茨中心的计算资源外，该团队还使用了UA高性能计算集群中的“Ocelote”超级计算机。两千多处理器在三周内同时处理这些数据。在这个研究项目过程中，创造模拟了超过800万个不同的模拟宇宙。

　　科学家们利用过去20年的天文观测数据，将观测数据与模拟创造的数百万个模拟宇宙进行了比较。收集了成千上万条信息，看哪条匹配，模拟创造的宇宙看起来对吗？如果没有，研究人员会回去修改，再检查一遍，直至匹配为止。为了进一步了解星系是如何形成的，研究团队计划扩展“宇宙机器”项目计划，包括单个星系的形态以及形状如何随时间演变等。

　　博科园｜研究/来自：亚利桑那大学

　　参考期刊《皇家天文学会月刊》

　　DOI: 10.1093/mnras/stz1182