宇宙學家創造破紀錄的星系形成模擬

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】通過了解恆星及起源，可以了解更多我們來自哪裡。然而浩瀚的銀河系——更不用說整個宇宙——意味著實驗來理解它的起源是昂貴的、困難的和耗時的。事實上對於研究天體物理學的某些方面，實驗是不可能的，這意味著為了更深入地了解星系是如何形成的，研究者們依賴於超級計算。為了開發一個更完整的星系形成的照片，海德堡理論研究所研究人員的大機構為天體物理學和天文學、麻省理工學院、哈佛大學和紐約的計算天體物理學中心轉向超級計算資源在高性能計算中心斯圖加特(hlr)，德國的三個世界級的超級計算機組成高斯超級計算中心的設施(GCS)。由此產生的模擬將有助於驗證和擴展關於宇宙早期階段的現有實驗知識。

結合氣體溫度(顏色)和激波馬赫數(如亮度)的複合材料。紅色表示在巨大的星系團中心的1000萬開爾文氣體，而明亮的結構則顯示來自星系間介質激波的擴散氣體，在宇宙空洞和細絲之間的邊界處。圖片版權：Illustris Team

最近該團隊擴大了其2015年破紀錄的「插圖」模擬——這是有史以來最大規模的星系形成的水文模擬。流體動力學模擬使研究人員能夠精確模擬氣體的運動。恆星從宇宙氣體中形成，星光為天體物理學家和宇宙學家提供了重要的信息，以了解宇宙是如何運作的。研究人員改進了他們的模擬的範圍和準確性，命名了這個項目的這個階段的插圖：下一代(IllustrisTNG)。該研究小組在《皇家天文學會月刊》上發表的三篇期刊文章中發表了第一輪研究成果，並準備發表更多論文。正如人類無法想像宇宙是如何形成的一樣，計算機模擬也不能從字面意義上再現宇宙的誕生。相反研究人員將公式和其他起始條件——從衛星陣列和其他來源的觀測——轉化成一個巨大的計算立方體，它代表了宇宙的一大片區域，然後用數值方法將這個「宇宙在一個盒子里」運動起來。

許多方面的模擬,研究人員就可以開始他們的計算基礎,或從頭開始,水平不需要預想的輸入數據，但是過程不太明白這些恆星的形成和增長的超大質量的holes-need被觀察和了解通過假設可以簡化計算。由於計算能力和專有技術的增加，也有能力模擬更大的空間區域，以及與星系形成相關的越來越複雜和複雜的現象。有了IllustrisTNG，團隊在不同的解析度下模擬了三個宇宙「切片」。最大的是300個大跨度的，大約10億光年。該研究小組使用了24000顆榛子樹核，其核心時間為3500萬小時。在其中一項重大進展中，研究人員重新進行了模擬，使其包含了更精確的磁場計算方法，從而提高了模擬的準確性。「磁場很有趣，原因有很多，」海德堡理論研究學院的教授兼研究員、該項目的首席研究員沃克爾·斯普林教授說。「對宇宙氣體施加的磁場壓力有時會等於溫度(溫度)壓力，這意味著如果你忽視了這一點，你就會失去這些效應，最終會影響你的結果。」

氣體密度(左)和磁場強度(右)以最大規模的星系團為中心。放大的面板顯示了磁場定向和恆星光(頂部)和x射線和來自大星團(底部)的射電發射。圖片版權：Illustris Team

在發展傑出的團隊的同時，團隊也在理解黑洞物理方面取得了驚人的進展。基於觀察的知識，研究人員知道超大質量的黑洞在很大程度上推動了宇宙氣體，同時也將氣體從星系團中「吹走」。這有助於在最大的星系中「關閉」恆星的形成，從而限制了它們所能達到的最大大小。在之前的模擬中，研究人員注意到，雖然黑洞通過能量傳遞過程，但它們不會完全關閉恆星形成。通過在模擬中修正黑洞的物理，研究小組在數據和觀察之間發現了更好的一致性，使研究人員更相信他們的模擬與現實相符。該團隊自2015年以來一直在使用GCS資源，自2016年3月以來一直在運行HLRS資源的IllustrisTNG模擬。考慮到IllustrisTNG的數據集比原始數據更大、更準確，研究人員相信他們的數據將被廣泛使用，同時他們還需要更多的時間來繼續完善模擬。最初的插圖是收集了2000個註冊用戶，併產生了130多個出版物。

在此期間，研究人員依靠GCS支持人員來幫助處理與他們的代碼相關的幾個低級問題，特別是與內存崩潰和文件系統問題相關的問題。團隊成員Drs。迪倫·納爾遜(Dylan Nelson)和雷納·溫伯格(Rainer Weinberger)也都受益於參加2016年和2017年的HLRS級別的機器級規模研討會。該團隊與HLRS的長期合作導致了2016年和2017年的Golden Spike獎，在HLRS的年度結果和審查研討會上授予優秀的用戶項目。尼爾森指出，雖然現在的超級計算機已經使模擬在很大程度上克服了與大規模宇宙學模型相關的最基本的問題，但仍有改進的機會。下一代系統的內存和處理資源的增加，將使我們能夠以更高的解析度模擬宇宙的大體積。大體積對於宇宙學來說是重要的，理解宇宙的大尺度結構，並對下一代大型觀測項目做出堅定的預測。」高解析度對於提高我們模擬中單個星系內部的物理模型是很重要的。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：皇家天文學會月報

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：高斯超級計算中心

編譯：中子星

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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