虛擬的宇宙機器揭露星系如何演化

銀河系和其它星系是如何形成？ 它們如何隨著時間的推移而成長和變化？ 幾十年來，星系形成背後的科學仍然是一個難題。美國亞利桑那大學領導的硏究團隊利用超級電腦模擬星系形成，距離得到真正的答案又近了一步。

觀測太空中的真實星系只能提供當時的情況，因此想要研究星系如何在數十億年內演變的研究人員必須利用電腦模擬。 傳統上，天文學家已經使用這種方法逐一發明和測試新的星系形成理論。美國亞利桑那大學斯圖爾德天文台（UA Steward Observatory）助理教授彼得·巴理士（Peter Behroozi）和他的團隊通過在超級電腦上產生數百萬個不同的宇宙克服了這一障礙，每個宇宙都遵循不同的物理理論來確定星系應該如何形成。

巴理士教授表示，在電腦上，我們可以創建許多不同的宇宙並將它們與實際宇宙進行比較，這可以讓我們推斷出那些規則可以導致我們看到的那些現象。

這項研究是第一個創造自我一致的宇宙，它們是真實宇宙的精確複製品：電腦模擬，每個都代表了實際宇宙中相當大的一塊，包含一千二百萬個星系，並且跨越大爆炸後四億年的時間到現在。

每個由宇宙機器模擬的宇宙都經過一系列測試，以評估與真實宇宙相比，生成的宇宙中星系的相似程度。 與我們自己最相似的宇宙都具有相似的潛在物理規則，展示了研究星系形成的強大新方法。

正如作者所說的那樣，宇宙機器的結果幫助解決了為什麼即使星系保留了大量氫氣（即製造恆星的原材料）而不再形成新恆星的長期悖論。關於星系如何形成恆星的常見觀點涉及冷氣體在重力作用下坍縮形成緻密口袋而產生恆星的複雜相互作用，而其它過程則抵消恆星形成。

例如，以往認為大多數星系在其中心都有超大質量黑洞。 落入這些黑洞的物質散發出巨大的能量，充當宇宙噴射器，防止氣體冷卻到足以坍塌成恆星托兒所。 同樣，在超新星爆炸中結束生命的恆星也有助於這一過程。 暗物質也發揮了重要作用，因為它提供了作用於星系中可見物質的大部分重力，從星系周圍吸入冷氣體並在此過程中加熱。

巴理士教授指出，當我們在宇宙的早期和早期回歸時，我們會期望暗物質更密集，因此宇宙中的氣體變得越來越熱，這對於恆星形成是不利的，所以我們認為早期的許多星系在很久以前宇宙應該停止形成恆星。但我們發現相反的情況：給定尺寸的星系更有可能以更高的速度形成恆星，與預期相反。為了匹配實際星系的觀測，他的團隊不得不創建虛擬宇宙，其中相反的是宇宙中星系長時間生成恆星的情況宇宙。另一方面，如果研究人員基於當前的星系形成理論創造了宇宙（宇宙中的星系早期停止形成恆星）那些星系看起來比我們在天空中看到的星系更紅。

星系出現紅色有兩個原因。第一個在自然界中顯而易見，與星系的年齡有關 - 如果它在宇宙歷史的早期形成，它將會更快地移動，將光線轉移到紅色光譜中。天文學家稱此效應為紅移。另一個原因是內在的：如果一個星系停止形成恆星，它將包含更少的藍色恆星，它們通常會更快地消失，並留下較舊的較紅的恆星。

巴理士教授表示，創造前所未有的複雜性的模擬宇宙需要一種全新的方法，不受計算能力和記憶的限制，並提供足夠的分辨率來跨越從細小個體物體（如超新星）到相當大的一塊物體的尺度：可觀察的宇宙。模擬單個星系需要10^48次計算操作，地球上的所有電腦在一百年內都無法實現這一目標。因此，為了模擬單個星系，更不用說一千二百萬個，我們不得不採取不同的方式。除了利用美國太空總署、歐洲太空總署和德國的計算資源外，該團隊還在亞利桑那大學高性能計算集群中使用了Ocelote超級電腦兩千個處理器在三週內同時處理數據。在研究項目的過程中，巴理士教授和他的同事創造了八百多萬個宇宙，然後對過去二十年的天文觀測進行比較，並將它們與我們生成的數百萬個模擬宇宙進行了比較，看看哪些匹配。我們創造的宇宙是否正確？如果沒有，我們會回去修改，然後重新再檢查。

為了進一步了解星系是如何形成的，巴理士教授團隊計劃擴展宇宙機器，硏究包括單個星系的形態以及它們的形狀隨時間的演變。

【圖：美國太空總署及歐洲太空總署；文：節譯自物理學機構網頁】 研究全文刊登在已經出版的英國《皇家天文學會月報》