物理学家对宇宙进行了迄今为止最详细的模拟

  宇宙是如何从奇点(称为“大爆炸”)演变成边界似乎无限的庞大结构的?一个国际物理学家团队最近提供了有关宇宙演化的新线索和新见解,他们对迄今为止的宇宙进行了最详细的大规模模拟。

物理学家对宇宙进行了迄今为止最详细的模拟

  研究人员在一个盒子中创造了自己的宇宙-一个立方体,跨越了超过2.3亿光年的空间。先前的宇宙学模拟要么非常详细,要么跨越很小的体积,或者跨越大体积而变得不那么详细。名为TNG50的新模拟成功地结合了两个世界的优点,产生了宇宙的大规模复制品,同时又实现了前所未有的计算分辨率。

  细节的水平令人难以置信,与曾经只能在单个星系的模拟中进行的匹配。实际上,TNG50跟踪了200亿个代表暗物质,恒星,宇宙气体,磁场和超大质量黑洞的粒子。

  但是,这种精细的细节需要付出一定的代价。斯图加特的Hazel Hen超级计算机上连续运行了16,000多个内核,一年不间断地执行所需的计算。作为参考,在单个处理器上完成仿真将花费15,000年,这使得TNG50成为迄今为止对计算要求最高的天体物理仿真之一。

  在最近由马克斯·普朗克天文学研究所和马克斯·普朗克天体物理学研究所的Annalisa Pillepich和Dylan Nelson领导的两项最新研究中,研究人员分享了他们最重要的发现。

  “当您获得比投入更多的收益时,这种数字实验特别成功。在我们的仿真中,我们看到没有明确地编程到仿真代码中的现象。这些现象以自然的方式出现,源于我们模型宇宙中基本物理成分的复杂相互作用,”尼尔森在一份声明中说。

  如果像“银河系”那样形成“盘状”星系,便是这种新兴行为的一个例子。尽管盘状星系看起来非常有序且平坦,但通过倒转它们的演化,研究人员可以看到,这种结构是从混乱且杂乱无章的气体云中出现的。

  “在实践中,TNG50表明我们拥有薄盘状的银河系正处于银河系时尚的顶峰:在过去的100亿年中,至少那些仍在形成新恒星的星系变得越来越像盘状,并且它们的混乱内部运动大大减少了。彼利皮希在一份声明中说:“宇宙只有几十亿年的历史,却更加混乱!”

  该模拟捕获的另一个新出现的现象是星系产生的高速外流和气体风。这些流出和风是超新星和超大质量黑洞活动的结果。

  这些银河外流最初是混乱的-就像早期的银河结构一样-但是随着时间的流逝,它们变得更加专注于阻力最小的路径。在现代宇宙中,这些风随着它们离开暗物质晕的引力阱而逐渐减慢,最终可能失速并落回到其父系星系上。天文学家将此过程比作银河中的回收气体。

  通过此过程,气体从银河系中心重新分布到其郊区。随着时间的流逝,这有助于将银河系转变成薄盘。但这也可以双向起作用:银河结构也可以塑造银河喷泉。

  将来,天文学家会将模拟的所有数据发布给整个科学界,以便从TNG50宇宙中发现新的发现。


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