2019-11-07 21:02:02
银河喷泉和旋转木马秩序从混乱中浮现

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来自德国和美国的科学家公布了最新完成的,最新的星系演化模拟结果。 TNG50是迄今为止最详细的大规模宇宙学模拟。它使研究人员能够详细研究自大爆炸之后不久星系的形成方式以及它们如何演化。这是第一次揭示出绕着星系流动的宇宙气体的几何形状决定了星系的结构,反之亦然。研究人员将结果发表在《皇家天文学会月刊》上的两篇论文中。

进行宇宙模拟的天文学家面临一个基本的权衡:凭借有限的计算能力,到目前为止,典型的模拟要么非常详细,要么跨越了大量的虚拟空间,但到目前为止却无法做到。有限体积的详细模拟最多只能模拟几个星系,因此很难进行统计推论。大容量的模拟,反过来,通常缺乏必要的细节重现许多我们在我们自己的宇宙观察小规模的属性,减少他们的预测能力。

刚刚发布的TNG50模拟能够避免这种折衷。它首次将大规模宇宙学模拟(盒子中的宇宙)的思想与“缩放”模拟的计算分辨率结合在一起,其详细程度以前只能用于研究单个星系。

在一个超过2.3亿光年的模拟空间立方体中,TNG50可以辨别发生在规模小一百万倍的规模上的物理现象,追踪在138亿年的宇宙历史中成千上万个星系的同时演化。它与代表黑暗的(看不见的)事情,明星超过20个十亿粒子,宇宙气体,磁场,超大质量黑洞确实如此。计算本身需要在斯图加特的Hazel Hen超级计算机上使用16,000个内核,并且以24/7的速度协同工作一年以上-相当于在单个处理器上一万五千年,使其成为迄今为止最苛刻的天体物理计算之一。

TNG50的首批科学结果由Annalisa Pillepich博士(马克斯·普朗克天文学研究所,海德堡)和Dylan Nelson博士(马克斯·普朗克天文物理研究所,加尔兴)领导的团队发表,揭示了无法预料的物理现象。尼尔森说:“这种数字实验在您投入更多精力之后尤其成功。在我们的仿真中,我们看到未明确编程到仿真代码中的现象。这些现象以自然的方式出现,从模型宇宙的基本物理成分之间复杂的相互作用。”

TNG50具有两个突出的例子来说明这种紧急情况。第一个问题涉及像我们自己的银河系一样的“盘状”星系的形成。使用模拟作为时间机器来倒回宇宙结构的演化,研究人员已经看到,秩序井然,快速旋转的盘状星系(在我们附近的宇宙中很常见)是如何从混乱,杂乱无章,高度湍流的气体云中出现的较早的时代。

随着气体的沉降,通常会在越来越多的圆形轨道上发现新生恒星,最终形成大型旋涡星系-银河转盘。 Annalisa Pillepich解释说:“在实践中,TNG50表明我们拥有薄盘状的银河系正处于银河系时尚的鼎盛时期:在过去的100亿年中,至少那些仍在形成新恒星的星系已经变得越来越多像盘一样,它们的混乱内部运动大大减少了。当它只有几十亿年的历史时,宇宙就更加混乱了!”

随着这些星系变平,研究人员发现了另一种新兴现象,涉及高速流出和气体从星系中流出。这是由于大质量恒星(超新星)爆炸和星系中心发现的超大质量黑洞的活动而启动的。银河系气体流出物最初也很混乱,并向各个方向流动,但随着时间的流逝,它们开始变得越来越集中,阻力最小。

在晚期宇宙中,从银河中流出的流体是两个圆锥体,它们以相反的方向出现-就像两个冰激凌尖端并排放置,而银河系在中心旋转。这些物质流在试图离开不可见或暗物质星系晕圈的引力阱时会减慢速度,最终可能失速并回落,形成银河循环的气体。此过程将气体从银河中心重新分布到其郊区,从而进一步加速了银河本身向薄盘的转化:银河结构塑造了银河喷泉,反之亦然。

创建TNG50的科学家团队(总部位于加里奇和海德堡的Max-Planck研究所,哈佛大学,麻省理工学院和计算天体物理学中心(CCA))最终将所有模拟数据发布给整个天文学界,以及对公众。这将使世界各地的天文学家能够在TNG50宇宙中找到自己的发现,并可能找到其他新出现的宇宙现象的例子,这些现象是有序出现的。

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