星系模擬產生對宇宙進化驚人見解

研究人員不斷發展宇宙模型，并借此發現新的宇宙理論。圖片來源：TNG COLLABORATION

美國加州理工學院理論物理學家Philip Hopkins喜歡跟他的同事惡作劇。作為模擬星系形成的專家，Hopkins有時會在演講中，把他的作品投射到真實星系照片旁邊，讓觀眾分辨。“我們甚至可以欺騙天文學家。”Hopkins說，“當然，這并不能保證這些模型是準確的，但直覺表明你正走在正確的軌道上。”

幾十年來，科學家一直試圖模擬宇宙大爆炸后可觀測到的數萬億個星系是如何產生的。但在過去幾年中，由于計算機的速度更快、算法更好，模擬已經開始精確地捕捉單個星系的細節及其質量和形狀的整體分布結果。

模擬宇宙

賓夕法尼亞州卡耐基梅隆大學數字宇宙學家Tiziana Di Matteo說：“整個領域已經迎來小黃金時代，進步越來越快。”Di Matteo也是BlueTides項目負責人。

隨著宇宙模擬的進步，它們的角色也在發生變化。幾十年來，數據開始單向流動：從天文學家對真正星系的研究到建模者對其進行模擬。BlueTides項目參與者、英國蘇塞克斯大學外星系天文學家Stephen Wilkins說，現在信息也在以另一種方式流動，這些模型反過來指導天文學家。“在過去，模擬總是試圖跟上觀測的速度。”他說。

例如，這些模型表明，最早的星系呈現奇怪的泡菜狀，而在碰撞過程中，極薄的螺旋星系出奇地堅固，而且，這解釋了宇宙的演化，星系形成恒星比天體物理學家期望的要慢得多。

這些模擬也發出了警告。一些宇宙學家希望星系的形成最終會成為一個相對簡單的過程，由一些基本規則支配。然而，建模者指出，星系就像慢慢成熟的青少年，是不可預測的。“可以清楚地看出，星系形成的物理現象非常混亂。”Wilkins說。

在你造出一個宇宙之前，你需要知道它的成分。從各種各樣的測量中，宇宙學家推斷出宇宙中只有5%的質量和能量是像恒星和行星那樣的普通物質。另外26%由神秘的暗物質組成，到目前為止，它們似乎只通過重力相互作用，而且可能是由一些未被發現的粒子組成的。剩下的69%是一種能量形式，它可以伸展空間，加速宇宙的膨脹。“暗能量”可能是空間本身真空的特性，所以物理學家稱它為宇宙常數。

宇宙學家也知道其基本步驟。宇宙在大爆炸中形成，首先是一種炙熱稠密的亞原子粒子湯。在一秒鐘內，它經歷了指數級增長，粒子湯的無窮小的量子波動變成了巨大的漣漪。慢慢地，密集的暗物質區域在自身的重力作用下聚集成一團巨大的團塊和絲狀體，被稱為宇宙網。氣體被暗物質的引力吸引沉淀在團塊中，并凝聚成一個叫作恒星的氫聚變球。在大爆炸后的5億年里，第一個星系形成了。在接下來的130億年里，它們會在宇宙的引力潮中漂移，并通過相互融合而生長。

不斷發展

計算機模擬幫助發展了這一理論。在20世紀80年代，研究人員發現，要形成足夠大的團塊約束觀測到的星系群，暗物質粒子必須緩慢移動和變冷。到2005年，由德國馬普學會研究人員領導的千禧模擬，繪制出了一幅宇宙網絡的圖像，其結構與星系的某些空間分布非常相似。

然而，千禧模擬和類似的模擬都有一個根本性的缺陷。在這些模擬實驗中，“基本假設是，星系占據了光環，并對它們沒有任何作用”。加州大學伯克利分校宇宙學家馮宇（音譯）說：“相互作用是單向的。”

現在，建模者納入了普通物質與自身和暗物質之間的相互作用——這一過程很難捕捉。與暗物質不同的是，普通物質在被擠壓時會升溫，產生光和其他電磁輻射，然后將物質推向周圍。當氣體云坍縮成發光的恒星，恒星在超新星爆發中爆炸，以及黑洞吞噬氣體并噴出輻射時，這種復雜的反饋達到了極端。對于星系的行為來說，這是至關重要的，必須用流體力學方程式模擬，而這是出了名的困難，即使是用超級計算機也是如此。

一般來說，建模者通過將空間劃分為三維網格，或者將大量暗物質和普通物質打包分成成群的粒子來解決這個問題。然后，模擬跟蹤這些元素之間的相互作用。而馮宇表示，這一過程僅僅是加載模型就消耗了計算機可用內存的90%。

多年來，這樣的模擬產生的星系過于臃腫、龐大。但是計算機的功率在增加，更重要的是，輻射物質反饋模型得到了改善。現在，水動力模擬已經開始產生正確數量的擁有正確質量和形狀的星系——螺旋形的圓盤、矮胖的橢圓星系、球形的矮星系和古怪的非正規星系，德國海德堡理論研究所宇宙學家Volker Springel說。

“直到最近，模擬領域一直在努力制造螺旋星系，在過去5年里，我們才證明了這可以做到。”Springel說。

推翻結論

Hopkins還表示，現在的模型顯示，和人類一樣，星系往往經歷著不同的生命階段。年輕時，一個星系精力充沛，而一個接一個的合并，扭曲了它，導致了恒星的形成。在幾十億年后，這個星系開始進入相對平靜和穩定的中年時期。之后，它開始衰老——這也是銀河系正在經歷的轉變。但是，Hopkins提到，青春期的狂野和暴力使得任何星系的發展路徑都難以預測。

但模型還遠遠不夠完美。它們無法靠近單個恒星建模。研究人員只能使用特別的“子網格”規則描述所有對象的平均行為。“這就像你戴著模糊的眼鏡試圖描述看不清的圖形。”以色列耶路撒冷希伯萊大學宇宙學家Avishai Dekel說。

無論如何，這些模型已經推翻了一些長期以來的假設。例如，天體物理學家相信，當兩個像銀河系這樣的圓盤星系碰撞并融合時，這個過程會把它們變成一個單一的橢圓星系。然而，這些模型顯示，如果它們持有足夠的氣體，螺旋星系比預期的要堅硬。“星系部分幸存并快速恢復。”Springel說。Hopkins也認為，這一發現是一個巨大的驚喜。

加州大學圣克魯斯分校天文學家Sandra Faber說，決定星系大小的通常解釋也被推翻了。天體物理學家認為，星系的大小是由暗物質光環的旋轉決定的，而快速旋轉的光環則產生更大、更分散的星系。但模擬顯示不存在這種聯系。“我們現在十分困惑。”Faber說，“那是什么讓大星系大，小星系小呢？”

另一方面，普林斯頓大學天體物理學家Eve Ostriker說，她渴望幫助星系模擬的基礎更加堅實。研究人員希望將不同大小尺度的結果串在一起，以最大限度地減少對容差系數的需求。Hopkins說：“你想要的是一幅連貫縫合在一起的圖片。”

最終，一些研究人員希望通過觀察和模擬，能形成針對星系是如何得到它的形狀和屬性的統一解釋。Faber預測，所有星系最終都將只通過兩個參數——質量和半徑被分類和解釋。

但許多星系建模者認為，這些信息總是復雜而不確定的。Springel說，星系的形成可能就像天氣一樣，因為大自然的無序，它會讓精確預測永遠無法實現。他說：“我有點擔心我們能理解全局，但永遠不了解細節。”在這種情況下，星系模擬的日益現實化可能只會強調宇宙的基本復雜性。