科学家开发出的计算机模型揭示了130亿年什么宇宙奥秘?

发布网友发布时间：2022-04-22 22:15

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热心网友时间：2023-07-11 03:35

IllustrisTNG模拟的宇宙的一小部分

据报道，计算机科学家发布了有史以来细节最丰富的宇宙模型。被称作“Illustris: The Next Generation”或简称为“IllustrisTNG”的这一计算机模型，对宇宙中各元素细节的模拟达到了前所未有的水平。

科学家表示，这一先进的计算机模型提供的细节和规模，使得他们能观察过去130亿年来宇宙的形成、演化、膨胀以及新恒星的诞生。

他们已经利用它进一步揭开宇宙的奥秘，例如黑洞是如何影响暗物质分布的、重元素的生成和分布以及磁场的起源。

Flatiron协会计算天体物理中心夏伊·杰内尔（Shy Genel）博士表示，“当使用望远镜观察星系时，我们只能观察一定数量的星系。”

科学家认为冲击波在宇宙形成过程中发挥了作用

杰内尔补充说，“利用这一模型，我们可以追踪所有星系的所有属性。我们能够了解的不只是星系现在的状态，还包括它全部的形成历史。”

为了创建这一模型，科学家们使用了宇宙最早期的证据，这些证据是从宇宙大爆炸时留下的宇宙微波背景中收集而来的。

计算宇宙学家利用这些数据，建立了当时——宇宙刚形成数十万年——宇宙的模型。

他们在这个虚拟宇宙中添加了重子物质（它们形成恒星和行星）、暗物质（它使星系结构膨胀）和暗能量（宇宙加速膨胀背后的神秘力量）。

这些元素与模拟超新星爆炸和黑洞的方程一起被添加到宇宙模型中。

海德堡理论研究所的沃克尔·斯普林吉（Volker Springel）是开发这一宇宙模型的国际团队成员。斯普林吉说， “特别有趣的是，我们可以准确预测超大质量黑洞对物质分布的影响。这对于可靠地解释宇宙学测量结果至关重要。”

麻省理工学院物理学助教马克·沃格斯伯格（Mark Vogelsberger）一直致力于开发、测试和分析IllustrisTNG。

沃格斯伯格利用IllustrisTNG模型表明，高温稀薄气体的湍动可以驱动小型磁力发电机——能够以指数级数放大星系核心中的磁场，模型准确地预测了这些磁场的强度。

模拟显示的星际磁场强度

沃格斯伯格表示，“IllustrisTNG的高分辨率与其精密的星系形成模型相结合，使我们能够比以往的宇宙学模拟更详细地探索这些磁场问题。”

计算机模型中的宇宙直径只有十亿光年，而可观测宇宙的直径约为970亿光年。

由该团队4年前创建的模型中的宇宙大小为3.5亿光年。

科学家们已经能够在这一宇宙模型中追踪数以百万计星系的形成，这是在探索宇宙结构如何发展方面最大规模的模型。

该模型预测了一个由气体和暗物质组成的网，它们相互作用，形成与真实星系形状和大小相似的星系。

马克斯·普朗克天体物理研究所的迪伦·尼尔森（Dylan Nelson）博士，揭示了有恒星正在形成的星系，在新形成恒星的蓝光下如何发光，然后突然中断恒星的形成过程。这使得星系变成了一个以旧恒星为主的星系。

尼尔森解释说，“在大型椭圆星系中，能够中断恒星形成过程的唯一天体是它们中心的超大质量黑洞。”

这些重力陷阱的流出速度可以达到光速的至多10％，对比相对较小的黑洞本身大数十亿倍的巨型恒星系统产生了影响。

另外，模拟能够预测宇宙网随时间推移的变化，特别是与暗物质有关的变化。据称暗物质占到宇宙的26.8％。

相比之下，普通物质仅占可观测宇宙的4.9％，剩下的68.3％的可观测宇宙被认为是暗能量。

马克斯·普朗克天文学研究所的研究员安娜丽莎·皮尔皮奇（Annalisa Pillepich）说：“现在，观察者可以系统地验证我们的预测。对于分层次的星系形成理论来说，这是非常重要的验证。”

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