计算机模拟宇宙演化揭示暗物质之谜

http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2015-01-05

一项新的计算机模拟研究揭示早期宇宙中星系与暗物质是如何形成的。如图所示，在“鹰”系统中，宇宙中的气体物质呈现高温的气泡形式(红色)，围绕着大型星系存在；它们之间则由温度较低的脉络(蓝色或绿色)相连接。小框中的局部图展示的是气体，恒星以及暗物质的分布情况。

这项模拟研究有望回答，为何并非每一个暗物质‘晕’结构中都有星系形成。

这项模拟研究有望回答，为何并非每一个暗物质“晕”结构中都有星系形成。

该研究由英国科学与技术设施委员会(STFC)以及欧洲研究委员会提供资助，调用了两台地球上最强大的超级计算机之一——英国杜伦大学的“宇宙学机器”(Cosmology Machine)以及设在法国巴黎的“居里”超级计算机。

　　新浪科技讯北京时间1月5日消息，据英国《每日邮报》报道，科学家们在计算机上对整个宇宙进行了模拟，以求加深他们对星系，恒星以及其他天体形成机制的理解。在这一“人造宇宙”中，与观测结果相似的星系逐渐显现并演化。

　　这项研究工作使用了地球上最强大的两台超级计算机之一——英国杜伦大学的“宇宙学机器”(Cosmology Machine)以及设在法国巴黎的“居里”超级计算机。这两台设备被用于进行对宇宙的模拟，运行时间超过数月。

　　在此之前，科学家们利用计算机模拟星系形成与演化收效不大，其中得到的恒星群要么规模太大，要么太小，太老，或是只呈现球形。而相比之下，利用“鹰”(Eagle，“星系与周遭环境演化与合成”)系统得到的模拟结果则更加接近现实。

　　此次模拟工作的一大成功之处是其重现了星系风现象——这是由恒星，超新星爆发以及超大质量黑洞所驱动的大规模星系气体喷流，此次模拟中得到的星系风强度要超过此前的模拟结果。星系风会影响星系的形成，因为它会吹走恒星形成所需要的气体尘埃物质，从而阻碍新生恒星的诞生。

　　在“鹰”系统模拟中产生了形状和大小各异的数以千计的各色星系，其特征与现实世界中的对应物相当吻合，因而可以被用于对宇宙的历史进行研究，其几乎可以一直让我们向前回溯到138亿年前的宇宙大爆炸时期。

　　杜伦大学教授理查德·鲍尔(Richard Bower)表示：“利用计算机模拟产生的宇宙与真实宇宙非常接近。到处都是星系，有各种各样的形态，大小和颜色，就像我使用全世界最大的望远镜所看到的一样。”他说：“这真是令人难以置信。在‘鹰’系统得到的模拟宇宙中，我甚至可以按下一个按钮，让整个宇宙的时间倒流。”

　　有关这项研究的论文将会发表在近期出版的《英国皇家天文学会月报》上。研究的合作者，英国利物浦约翰摩尔大学的罗伯特·克莱因(Rob Crain)博士表示：“对我们而言这是一个新时代的开端。我们现在可以任意操控宇宙的各项因素条件并对大约140亿年来的宇宙星系演化开展研究。”

　　“鹰”系统的模拟工作或许还将有助于科学家们对宇宙中最大的谜团之一进行探查，那就是暗物质。

　　物理学家表示，在模拟中发现随着宇宙演化的进行，物质形成了一个个的“晕”状结构，这可能是神秘的暗物质存在的线索。科学家们相信这些出现在宇宙早期的暗物质团块，或者“晕”结构帮助捕获了星系气体物质并在此基础上成为星系诞生的基石。

　　宇宙学理论预言在我们银河系的周围空间也存在着数以百万计的小型“晕”结构，其中包含着大量的星系。但实际上天文学家们的观测只在银河系附近发现了数十个小型星系。

　　杜伦大学计算宇宙学研究所主任卡洛斯·弗雷克(Carlos Frenk)教授表示：“过去的30年里我一直在研究这一课题，甚至为此睡不着觉。暗物质是我们了解星系的关键一环，但我们目前仍然不清楚它的本质。而了解星系如何形成是解开暗物质谜团的基础。”

　　现在有一个大问题，那就是为什么并非在每一个“晕”结构中都有星系形成？研究人员相信他们的模拟结果可以回答这一问题。模拟过程清楚地显示出为何存在于银河系以及邻近的仙女座大星系周遭的数百万个“晕”结构中未能产生出星系。

　　模拟显示那些原本可以用来形成星系的气体物质在宇宙诞生初期的第一批恒星的高温炙烤下被加热或驱散，难以冷凝并形成恒星。然而，那些形成时间较早的“晕”结构则成功地避开了这一问题，保存下足够多的气体物质并最终形成恒星和星系。有关这项工作的内容最早是在前不久在英国朴茨茅斯由皇家天文学会主办“全国天文学会议”上宣布的。该研究由英国科学与技术设施委员会(STFC)以及欧洲研究委员会提供资助。

　　弗雷克表示：“我们已经了解到，绝大部分的暗物质晕与那少量的特殊案例有所不同，在后者的位置上形成了星系。由于我们的模拟工作，我们现在知道了，假如我们目前有关暗物质的理论是正确的，那么我们周遭的空间中就应该充斥着大量的这种未能产生星系的‘晕’结构。或许天文学家们有朝一日会想到某种方法去识别出这些‘晕’结构的存在。”

　　这项研究的第一作者，同样来自杜伦大学计算宇宙学研究所的蒂尔·萨瓦拉(Till Sawala)博士则认为这项研究是首次对我们所在本星系群的演化模拟。本星系群是包括银河系以及仙女座大星系在内，由大约54个星系共同组成的巨大星系群结构。

　　萨瓦拉表示：“在这项模拟中我们所看到的是一个宇宙‘乌龙球’。我们已经知道第一批恒星的强大辐射加热导致星系际气体被加热到温度超过太阳表面。在那之后，由于温度太高，气体难以凝结，恒星诞生的难度大大增加，这就让那些‘晕’结构内难以有星系形成。我们的研究显示宇宙加热并非仅仅简单的是一项只有少数赢家的乐透抽奖活动，与此相反，这是一次严格的筛选过程——只有那些生长足够快的‘晕’结构才有机会产生星系。”

　　而对于本星系群的详细研究则正是‘鹰’模拟项目在更大层面上的计划，目前正在由来自英国杜伦大学以及荷兰莱顿大学的宇宙学家们进行。(晨风)

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