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迄今为止最详尽的宇宙模拟
2018-4-1 1:53:00           作者: 博科园

【博科园-科学科普(关注“博科园”看更多)】自古以来,哲学家和学者就一直在试图确定存在是如何开始的。随着现代天文学的诞生,这一传统一直延续,并被称为宇宙学。在超级计算的帮助下,科学家们能够进行模拟,展示在我们宇宙中最初的恒星和星系是如何形成的,并在数十亿年的时间尺度里演化而来。直到最近,最广泛和最完整的研究是“Illustrus”模拟,它研究了过去130亿年间星系形成的过程。

迄今为止最详尽的宇宙模拟

结合气体温度(颜色)和激波马赫数(如亮度)的复合材料。红色表示在巨大的星系团中心的1000万开尔文气体,而明亮的结构则显示来自星系间介质激波的扩散气体,在宇宙空洞和细丝之间的边界处。图片版权:Illustris Team

为了打破记录,这个团队最近开始进行一种名为“Illustrus,下一代”或“IllustrisTNG”的模拟。这些发现的第一轮最近已经发布,预计还会有更多的发现。这些发现发表在最近发表在《皇家天文学会月刊》上的三篇文章中。插图团队由海德堡理论研究所的研究人员、马-普朗克天体物理学和天文学研究所、麻省理工学院、哈佛大学和纽约计算天体物理学中心组成。

迄今为止最详尽的宇宙模拟

这幅图展示了宇宙的演变,从左边的大爆炸到现代的右边。图片版权:NASA

使用超级计算机的高性能计算中心斯图加特(hlr)——德国超级计算的三个世界级的设施,包括高斯超级计算中心(GCS)研究小组进行了模拟,将有助于验证和扩展现有实验了解宇宙的早期阶段, 即从宇宙大爆炸到现在的30万年后发生了什么。为了创建这个模拟,团队将等式(如广义相对论的理论)和来自现代观测的数据转化为一个巨大的计算立方体,它代表了宇宙的一个大横截面。对于一些过程,如恒星形成和黑洞的生长,研究人员被迫依赖于基于观测的假设。然后他们用数值模型来模拟宇宙的运动。

与之前的模拟相比,IllustrisTNG在三个不同的分辨率下组成了3个不同的宇宙——其中最大的一个测量了10亿光年(300个百万秒)。此外研究小组还对磁场进行了更精确的计算,从而提高了准确度。总的来说该模拟在Hazel Hen超级计算机上使用了24000个核心,共计3500万个核心小时。作为海德堡理论研究学院的教授和研究员,该项目的首席研究员Volker Springel教授在Gauss中心的新闻稿中解释道:磁场之所以有趣,有多种原因。对宇宙气体施加的磁场压力有时会等于温度(温度)的压力,这意味着如果你忽略了这一点,就会失去这些效应,最终会影响结果。

迄今为止最详尽的宇宙模拟

Illustris模拟概述图,在投影(顶部/底部)显示了大尺度的暗物质和气体密度场。图片版权:Illustris Project

另一个主要的区别是,根据最近的观察活动,加入了最新的黑洞物理理论参数。这包括证明超大质量黑洞(SMBHs)和星系演化之间的关联的证据。从本质上说,SMBHs以辐射和粒子喷射的形式发出大量的能量,这对星系中的恒星形成有显著的影响。虽然研究人员在第一次模拟过程中确实意识到了这一过程,但他们并没有考虑如何完全阻止恒星形成。通过在模拟中包括磁场和黑洞物理的更新数据,研究小组发现数据和观测数据之间的相关性更大。因此对结果更有信心,并且认为这是迄今为止最精确的模拟。

但是正如马克斯·普朗克天文研究所的物理学家和一个llustricTNG成员所解释的那样:如果超级计算机的发展继续下去,未来的模拟可能会更加精确。下一代系统内存和处理资源的增加将使我们能够以更高的分辨率模拟宇宙的大容量。”大体积对于宇宙学来说是重要的,理解宇宙的大尺度结构,并对下一代大型观测项目做出坚定的预测。高分辨率对于提高我们模拟中单个星系内部的物理模型是很重要的。

迄今为止最详尽的宇宙模拟

气体密度(左)和磁场强度(右)以最大规模的星系团为中心。图片版权:Illustris Team

由于GCS工作人员的广泛支持,这一最新的模拟也成为可能,他们协助研究小组处理与编码有关的事项。这也是由来自世界各地的研究人员共同努力的结果,并将他们与他们需要的资源配对。最后,但同样重要的是显示了应用研究和理论研究之间的合作是如何增加的,从而带来更好的结果。展望未来,该团队希望这次最新模拟的结果会比上次更有用。

最初的Illustris是通过2000多名注册用户获得的数据,并发表了130项科学研究。考虑到这一点更加准确和最新,团队希望它能找到更多的用户,并带来更具有突破性的研究成果。也许有一天会创造一个模拟,以完全准确地捕捉我们宇宙的形成和演化。与此同时,模拟由团队成员和麻省理工学院的物理学家Mark Vogelsberger提供。

  • 知识:科学无国界,博科园-科学科普

  • 参考:GCS, Illustrus

  • 作者:Matt Williams

  • 内容:经“博科园”判定符合今主流科学

  • 来自:Universe Today

  • 编译:中子星

  • 审校:博科园

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责任编辑: 蔚 蓝 文章来源:
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