天體物理學家發布最先進的宇宙模型IllustrisTNG

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【博科園-科學科普-歡迎留言評論或建議】新的計算方法已經幫助天體物理學家創建了有史以來產生信息最豐富的宇宙大尺度模擬。新的工具為黑洞如何影響暗物質的分布，重元素在整個宇宙中的形成和分布以及磁場的產生提供了新解釋。

由海德堡理論研究所的主要研究人員Volker Springel領導，來自馬克斯普朗克天文學研究所（MPIA，海德堡）天體物理學（MPA，Garching），哈佛大學，麻省理工學院（MIT）的天體物理學家和熨斗研究所的計算天體物理中心（CCA）開發和編程新的宇宙模擬模型，被稱為Illustris或IllustrisTNG。

宇宙氣體（藍色）周圍的暗物質結構（橙/白）周圍的衝擊波強度的可視化。類似於音爆，這些衝擊波中的氣體在撞擊宇宙的細絲和星系時會加速震動。圖片版權：IllustrisTNG collaboration

CCA副研究員Shy Genel說：這個模型是同類中最先進的宇宙模擬，幫助開發和磨練了IllustrisTNG。模擬的細節和規模使Genel能夠研究星系如何形成，演化和成長與恆星形成活動。

當使用望遠鏡觀測星系時只能測量一定的數量。通過模擬可以追蹤所有這些星系的所有特性，而不僅僅是星系的外觀而是整個星系的形成歷史。模擬出星系在模擬中演變的方式，可以了解當地球形成時銀河系可能是什麼樣子以及我們的銀河系在將來如何變化。

通過IllustrisTNG項目最規模模擬中的宇宙大尺度結構進行薄片化。圖像亮度指示質量密度和顏色使普通（重子）物質的平均氣體溫度可視化。展示區域從左至右延伸約12億光年。潛在的模擬是目前最大的星系形成的磁流體動力學模擬，包含超過300億體積的元素和粒子。圖片版權：IllustrisTNG collaboration

麻省理工學院物理學助理教授，麻省理工學院Kavli天體物理學與空間研究所的Mark Vogelsberger一直致力於開發，測試和分析新的IllustrisTNG模擬。隨著博士後研究人員Federico Marinacci和Paul Torrey，Vogelsberger一直在使用IllustrisTNG來研究宇宙中大規模磁場的可觀察特徵。Vogelsberger說：IllustrisTNG的高解析度與其複雜的星系形成模型相結合，使我們能夠更詳細地探索這些磁場問題，

以TNG100計算中的第二大質量星系團為中心，以100千米厚度的薄片（在觀察方向）呈現氣體速度。如果圖像是黑色的，氣體幾乎不動，而白色區域的速度超過每秒1000公里。圖像將宇宙絲中的氣體運動與由深引力勢阱引起的快速混沌運動和位於其中心的超大質量黑洞進行對比。圖片版權：IllustrisTNG collaboration

建模（更）現實的宇宙

IllustrisTNG是由同一個研究團隊開發的原始Illustris模擬的後繼模型，但已被更新為包含一些在星系形成和演化中起關鍵作用的物理過程。像Illustris一樣，這個項目模擬了一個立方體形狀的宇宙。這一次這個項目是在宇宙的一個具有代表性的地區形成數百萬個星系，每邊近10億光年（四年前每邊3.5億光年）。來自MPA和海德堡大學的Springel說：lllustrisTNG是迄今為止最大的宇宙結構流體動力學模擬項目。

星際磁場強度：藍/紫色顯示沿著宇宙網的細絲排列的低磁能區域，而橙色和白色顯示在暈圈和星系內具有顯著磁能的區域。從模擬開始到z = 0，TNG100-1內部10Mpc（相鄰區域）內部的時間演變。圖片版權：TNG Collaboration

IllustrisTNG預測的宇宙氣體和暗物質網產生的星系與真實星系的形狀和大小非常相似。流體動力學模擬首次可以直接計算出太空星系的詳細聚類模式。Springel說：與觀測數據相比，如強大的斯隆數字巡天（Sloan Digital Sky Survey）提供的數據，來自IllustrisTNG的模擬結果表現出高度的現實性。

另外模擬預測了宇宙網隨時間的變化，特別是與宇宙背後的暗物質有關。特別令人著迷的是可以準確預測超大質量黑洞對物質分布的影響。這對於可靠解釋即將到來的宇宙學測量結果至關重要。

TNG100-1和Illustris-1之間星系間氣體（質量）的分布比較。低密度空洞（黑/深藍）向宇宙絲（黃/綠），氣暈（淺藍）和單個星系（白色）過渡。在兩個模擬之間比較了完全相同的10Mpc（相交）區域的時間演變，這兩個模擬由於星系形成模型的不同而在大尺度上分布不同的氣體。圖片版權：TNG Collaboration

通過代碼和超級計算機的天體物理學

對於這個項目，研究人員開發了一個特彆強大的高度並行的移動網格代碼AREPO，並將其用於德國斯圖加特高性能計算中心的德國最快的大型計算機Hazel Hen機器上。為了計算兩個主要模擬運行中的一個，該團隊在兩個多月的時間內使用了超過24000個處理器。Springel說：新的模擬產生了500TB 以上的模擬數據，分析這個龐大的數據將使我們在未來幾年中保持繁忙，並且能夠對不同的天體物理過程提供許多令人興奮的新解釋。

從外部呈現的10Mpc（可互換）立方體區域的時間演變。該影像顯示了氣體溫度（藍色：冷，綠色：暖：白色：熱），比較原始Illustris（左）和TNG100（右）。在這兩種情況下宇宙網中節點周圍的快速溫度波動和爆發是由於模擬中的各種高能「反饋」過程造成的。這些包括來自恆星的能量（超新星爆炸）以及來自超大質量黑洞的熱量和高速風。圖片版權：TNG Collaboration

超大質量黑洞壓制恆星的形成

在另一項研究中，MPA的研究員Dylan Nelson能夠證明黑洞對星系的影響。恆星形成的星系在年輕恆星的藍光中明亮地閃爍，直到突然的演化轉變使恆星形成停止，使星系成為由古老的紅色恆星所主導，並進入一個滿是古老和死亡星系的墳墓。納爾遜解釋說：能夠熄滅大型橢圓星系中恆星形成的唯一物理實體就是它們中心的超大質量黑洞。這些重力陷阱超快速流出速度達到了光速的10％，影響了比小黑洞本身大數十億倍的巨型恆星系統。

八種觀點：從TNG100-1中可以看出一個10Mpc的小型宇宙空間不斷演變的結構。每個視圖顯示了不同的模擬輸出（從左到右、頂部）：氣體密度，暗物質密度，恆星質量，磁場強度，（底部）氣體溫度，氣體金屬性，氣體速度場和OVI的柱密度 - 氧（O 5+）的第五電離態。每個視圖顯示了相同的空間區域，所有這些組件在模擬運行時一起共同演變。圖片版權：TNG Collaboration

星繫結構的新發現

IllustrisTNG也提高了我們對星系形成的層次結構的理解。理論家們認為小星系應該先形成，然後再融合成更大的結構系統，這是由引力無情拉動所驅動的。眾多的星系碰撞實際上撕裂了一些星系，把它們的星星分散到新創造的大星系周圍的高軌道上，這給星系帶來了微弱的背景光輝。這些預測的蒼白的恆星光暈很難觀測，因為表面亮度低，但是IllustrisTNG能夠精確地模擬天文學家應該尋找的東西。MPIA的研究員Annalisa Pillepich指出：我們預測現在可以被觀察者系統地檢查出來，他還領導了一個IllustrisTNG的研究，這對分層星系形成的理論模型產生了一個重要的考驗。

在z = 0時最大的TNG300星團（光暈質量約為太陽質量的10^15倍）。隨著時間的推移在空間緩慢旋轉以顯示來自不同視點的結構。四個面板中的每一個顯示相同的預測X射線發射（以背景顏色），而覆蓋的等高線顯示預測的同步輻射，正如四個射電望遠鏡之一所觀察到的：VLA，LOFAR，ASKAP或SKA。圖片版權：TNG Collaboration