迄今最詳細的宇宙模型：了解宇宙早期形成歷史

據國外媒體報道，計算機科學家製作出了目前為止最為詳細的宇宙模型。該模型被稱為「Illustris： The Next Generation」，簡稱為「IllustrisTNG」，據說對宇宙中各種作用力的模擬達到了前所未有的精細水平。科學家表示，這一先進的計算機模型所提供的細節和規模，使他們能夠觀察星系如何在超過130億年的時間跨度內形成、演化、成長和促成新恆星形成的過程。

他們已經利用該模型來進一步揭示黑洞對暗物質分布的影響、重元素如何產生和分布以及磁場起源等問題。

「當我們通過望遠鏡觀察星系時，我們只能測量特定的參數，」 美國西蒙斯基金會Flatiron研究院計算天體物理學中心的夏伊·傑內爾（Shy Genel）博士說，「有了這一模型，我們就能追蹤所有這些星系的所有特徵。不僅能看到這些星系現在的情況，而且能了解它全部的形成歷史。」

科學家認為震蕩波可能在宇宙形成中發揮了作用。Illustris可視化圖像顯示了塌縮暗物質結構（橙色和白色）周圍宇宙氣體（藍色）中震蕩波的強度。與超音波音爆類似，震蕩波中的氣體在撞上宇宙纖維和星系時也會因為劇烈振動而加速。

為了建立這一模型，科學家使用了從宇宙微波背景輻射中搜集的最早期宇宙證據，這些證據都是宇宙大爆炸時殘留下來的。利用這些數據，計算宇宙學家模擬了宇宙年齡只有數十萬年時的情況。

在這個虛擬宇宙中，科學家加入了重子物質（能形成恆星和行星）、暗物質（使星際結構得以形成）和暗能量（宇宙加速膨脹背後的神秘力量）。除了這些，模型中還加入了描述超新星爆發和黑洞的方程。

海德堡理論研究所（Heidelberg Institute for Theoretical Studies）的沃克爾·斯普林吉（Volker Springel）是開發該模型的國際研究團隊成員之一，他說：「特別迷人的一點是，我們可以在大尺度上準確預測超大質量黑洞對物質分布的影響，這對接下來可靠地解釋宇宙學測量結果至關重要。」

麻省理工學院的物理學助理教授馬克·沃格斯伯格（Mark Vogelsberger）一直致力於開發、測試和分析IllustrisTNG模型。他利用該模型展示了高溫稀薄氣體的湍動如何驅動小型「磁發電機」——能以指數級數放大星系核心處的磁場，該模型還準確預測了這些磁場的觀測強度。

「IllustrisTNG的高解析度加上其精密的星系形成模型，使我們在探索這些磁場問題時能比之前任何宇宙模型都更加詳細，」沃格斯伯格說道。他和其他研究者在近期的《皇家天文學會月報》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上發表了三篇文章，對這項工作進行了闡述。

IllustrisTNG模型中的一小部分宇宙結構。亮度代表質量密度，而顏色代表了普通物質的氣態溫度。圖中區域從左到右的跨度約為12億光年，其背後的模擬是目前對星系形成最大規模的磁流體動力模擬，包含了超過300億體積的元素和粒子。

相比直徑大約為930億光年的可觀測宇宙，計算機模型中的宇宙跨度只有10億光年，而該研究團隊在四年前所開發的模型跨度約為3.5億光年。

這是目前對宇宙最大規模的模擬，利用該模型，科學家可以追蹤數以百萬計的星系如何形成，探索宇宙結果的發展。該模型預測了一個由氣體和暗物質組成的宇宙網，二者相互作用產生的星系與現實宇宙中的星系有著相似的形狀和大小。

德國馬克斯普朗克天體物理學研究所的迪倫·尼爾森（Dylan Nelson）博士指出，正在形成恆星的星系會由於年輕恆星的藍光而顯得十分明亮，直到一場演變突然中止了恆星的形成過程，此時該星系就會變成一個以剩餘舊恆星為主的星系。

這張計算機模擬圖像顯示了高溫氣體從極為活躍的星系中噴涌而出的場景。圖中黑色區域的氣體幾乎靜止，而白色區域的氣體速度可以超過每秒1000公里。相比宇宙纖維中的氣體運動，超大質量黑洞（圖片中央）周圍的氣體運動顯得高速而混亂。

尼爾森解釋道：「在巨大的橢圓形星系中，唯一能夠中止恆星形成的物理實體就是星系中心的超大質量黑洞。這些引力陷阱的超高速噴流能達到10%的光速，並影響比小型黑洞打賞數十億倍的巨型恆星系統。」

此外，這些模擬還能預測宇宙網隨時間的變化，特別是與暗物質的聯繫。據估計，暗物質組成了26.8%的宇宙。相比之下，普通物質只佔可觀測宇宙的4.9%，剩餘的68.3%則是暗能量。

「現在我們的預測可以交給觀測者進行系統的驗證，」馬克斯普朗克天文學研究所的安娜麗莎·皮爾皮奇（Annalisa Pillepich）說，「對星系形成的等級理論模型而言，這是一次非常重要的驗證。」

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