科学网—科学家制作78秒视频展现宇宙140亿年演化

2020-04-06 09:39栏目:科技中心

科学家制作78秒视频展现宇宙140亿年演化

打造一个宇宙 星系模拟产生对宇宙进化惊人见解

78秒视频展现宇宙140亿年演化。媒体来源:新浪科技

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研究人员不断发展宇宙模型,并借此发现新的宇宙理论。图片来源:TNG COLLABORATION

视频截图,展示了大爆炸后50亿年的宇宙。这段视频只有短短78秒,为我们呈现了宇宙从大爆炸到现在大约140亿年的演化过程

美国加州理工学院理论物理学家Philip Hopkins喜欢跟他的同事恶作剧。作为模拟星系形成的专家,Hopkins有时会在演讲中,把他的作品投射到真实星系照片旁边,让观众分辨。“我们甚至可以欺骗天文学家。”Hopkins说,“当然,这并不能保证这些模型是准确的,但直觉表明你正走在正确的轨道上。”

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几十年来,科学家一直试图模拟宇宙大爆炸后可观测到的数万亿个星系是如何产生的。但在过去几年中,由于计算机的速度更快、算法更好,模拟已经开始精确地捕捉单个星系的细节及其质量和形状的整体分布结果。

大爆炸后60亿年的宇宙,宇宙内的盘状结构清晰可见

宾夕法尼亚州卡耐基梅隆大学数字宇宙学家Tiziana Di Matteo说:“整个领域已经迎来小黄金时代,进步越来越快。”Di Matteo也是BlueTides项目负责人。

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随着宇宙模拟的进步,它们的角色也在发生变化。几十年来,数据开始单向流动:从天文学家对真正星系的研究到建模者对其进行模拟。BlueTides项目参与者、英国苏塞克斯大学外星系天文学家Stephen Wilkins说,现在信息也在以另一种方式流动,这些模型反过来指导天文学家。“在过去,模拟总是试图跟上观测的速度。”他说。

新濠国际,大爆炸后70亿年的宇宙,盘状结构开始变成我们熟悉的螺旋星系

例如,这些模型表明,最早的星系呈现奇怪的泡菜状,而在碰撞过程中,极薄的螺旋星系出奇地坚固,而且,这解释了宇宙的演化,星系形成恒星比天体物理学家期望的要慢得多。

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这些模拟也发出了警告。一些宇宙学家希望星系的形成最终会成为一个相对简单的过程,由一些基本规则支配。然而,建模者指出,星系就像慢慢成熟的青少年,是不可预测的。“可以清楚地看出,星系形成的物理现象非常混乱。”Wilkins说。

大爆炸后110亿年的宇宙,星系漩涡分离,彼此间发生相互作用

在你造出一个宇宙之前,你需要知道它的成分。从各种各样的测量中,宇宙学家推断出宇宙中只有5%的质量和能量是像恒星和行星那样的普通物质。另外26%由神秘的暗物质组成,到目前为止,它们似乎只通过重力相互作用,而且可能是由一些未被发现的粒子组成的。剩下的69%是一种能量形式,它可以伸展空间,加速宇宙的膨胀。“暗能量”可能是空间本身真空的特性,所以物理学家称它为宇宙常数。

北京时间8月31日消息,据国外媒体报道,哈佛-史密森尼天体物理学中心的科学家与德国海德堡理论研究所的研究人员联手制作了一段高分辨率的电脑模拟视频,展现宇宙从大爆炸到现在大约140亿年的演化过程。令人感到吃惊的是,这段视频只有短短78秒。

宇宙学家也知道其基本步骤。宇宙在大爆炸中形成,首先是一种炙热稠密的亚原子粒子汤。在一秒钟内,它经历了指数级增长,粒子汤的无穷小的量子波动变成了巨大的涟漪。慢慢地,密集的暗物质区域在自身的重力作用下聚集成一团巨大的团块和丝状体,被称为宇宙网。气体被暗物质的引力吸引沉淀在团块中,并凝聚成一个叫作恒星的氢聚变球。在大爆炸后的5亿年里,第一个星系形成了。在接下来的130亿年里,它们会在宇宙的引力潮中漂移,并通过相互融合而生长。

这段模拟视频由名为“Arepo”的软件生成,采用移动网格技术呈现本地宇宙内不同星系的图像,细节非常丰富。与此前的模拟软件不同的是,Arepo通过虚拟的可弯曲网格再现大爆炸后的宇宙演化。这种网格可以移动,以对应构成宇宙的气体、恒星、暗物质和暗能量的移动。

计算机模拟帮助发展了这一理论。在20世纪80年代,研究人员发现,要形成足够大的团块约束观测到的星系群,暗物质粒子必须缓慢移动和变冷。到2005年,由德国马普学会研究人员领导的千禧模拟,绘制出了一幅宇宙网络的图像,其结构与星系的某些空间分布非常相似。

制作者表示Arepo就像是宇宙网络的一个虚拟模型,能够弯曲以支撑构成宇宙的物质和天体。以往的模拟视频采用数量更多的固定立方网格。Arepo研发者、海德堡理论研究所天体物理学家沃克尔-斯普林格尔表示:“我们利用了此前模拟软件的优势同时消除劣势。”

然而,千禧模拟和类似的模拟都有一个根本性的缺陷。在这些模拟实验中,“基本假设是,星系占据了光环,并对它们没有任何作用”。加州大学伯克利分校宇宙学家冯宇说:“相互作用是单向的。”

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