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混沌中诞生的美丽星系

来源:环球科学

图为TNG50模拟中由16个星系中的恒星发出的可见光。星系的俯视图和侧视图分别呈现于子图的上侧和下侧。

(图片来源:D. Nelson (MPA)及IllustrisTNG团队。许可协议:CC BY 4.0)

来自德国和美国的科学家公布了近期完成的对星系演化最为先进的计算机模拟的结果。TNG50是目前最为详细的大尺度宇宙学模拟。其有助于研究人员详细研究星系的形成,以及它们在宇宙大爆炸结束后短时间内是如何演化的。模拟结果第一次揭露了星系周围的气体流动的几何形状与星系的结构之间的互相决定作用。研究结果刊登于《皇家天文学会月报》的两篇论文中。

使用计算机进行宇宙学模拟的天文学家们往往无法避免一个基本的矛盾:由于能够调用的算力有限,迄今为止,典型的模拟或对部分区域进行精细模拟,或对广阔宇宙区域进行大尺度模拟,但是难以做到既精细又覆盖广。由于模拟尺度受限,精细的计算机模拟只能模拟数量很少的星系,这使得通过统计数字作出推断非常困难。大尺度模拟则一般缺乏细节,而这是重现我们观测到的宇宙的小尺度特征所必需的,这降低了其预测的分量。

而最近发布的TNG50计算机模拟,则成功规避了这种矛盾。其第一次结合了大尺度宇宙学模拟--一个在沙盒中的宇宙--与计算分辨率的“放大”模拟,其精细度在以往只有对单个星系的研究才能达到。

实验模拟的TGN50被设定在位于2亿3千万光年以外的立方空间中,其可以展现尺度为其大小的一百万分之一的物理现象,并追溯数以千计的星系跨越宇宙138亿年历史的同步演化。为此,该模拟包含了200亿个粒子,分别代表暗物质(无法观测到的物质)、恒星、宇宙气体、磁场,以及超大质量黑洞。其计算工作需要位于Stuttgart的Hazel Hen超级计算机的一万六千个计算核心不间断运算一年多的时间,这相当于在单个处理器上运行一万五千多年。如此庞大的计算量使其成为了迄今为止要求最高的天体物理学计算之一。

TNG50的最初结果由马克斯·普朗克研究所天文所(Max Planck Institute for Astronomy, Heidelberg)的Annalisa Pillepich博士及天体物理所 (Max Planck Institute for Astrophysics, Garching)的Dylan Nelson博士的研究团队发表。Nelson称:“对于此类数值试验,如果得到比投入更加卓著的结果,就是极大的成功。在我们的模拟中,我们观测到了并没有显式写入模拟程序中的现象。这类现象以一种自然的方式出现,是我们的模型宇宙的基本物理成分的复杂相互作用。”

TNG50展现了两种具有这类初生现象的突出例子。第一种与“盘状”星系(如我们所在的银河系)的形成有关。通过将计算机模拟作为时间机器来重放宇宙结构的演化,研究人员发现了秩序井然、快速旋转的盘状星系(这在我们邻近的宇宙中常见)是如何从早期时代的混沌、无秩序、高度湍流的气体云中产生的。

当气体稳定下来,越来越多的环形轨道上会出现新生恒星,这些恒星最终形成了庞大的螺旋星系-星系尺度的旋转木马。Annalisa Pillepich解释道:“在实验中,TGN50表明我们的银河系正处于其生命的鼎盛时期:在过去一百亿年间,至少这些仍在形成新恒星的星系不断趋于盘状,而它们内部的混沌运动也显著减少了。当宇宙的年龄为仅几十亿岁时,它比现在混乱的多!”

TNG50模拟中其中一个星系周围的气体在数亿年间的演化(由上至下),位于星系中心的是处于活跃状态的超大质量黑洞,其从周围吸收气体,并在此过程中产生了大量能量。这些能量的释放产生了超快速的风,它们迅速离开星系,并膨胀至原大小的数千倍。这些黑洞驱动的外流气体达到了每秒数万公里的极高速度,并具有超过一百万度的极高温度,并携带了大量的重元素,如氧元素、碳元素和铁元素。上图从左到右的四栏分别为星系的周围的外流气体演化速度、温度、密度和重元素分布。该星系是每幅图像正中心的垂直薄片,是一个温度较低(第二栏,蓝色部分),密度较高(第三栏,黄色部分)的产生恒星的气体圆盘。

(图片来源:D. Nelson (MPA) 及 IllustrisTNG团队。许可协议:CC BY 4.0)

研究人员发现,当这些星系变得扁平时会紧接着出现能量高速外溢的现象,气体甚至会被吹出星系。星系中心的重恒星的爆发(超新星)以及超大质量的黑洞的活动,使得高速气体流流出星系。外流的星系气体最初杂乱无章,流向四面八方,但随时间变化,它们也逐渐集中于受到阻力最小的路径上。

在宇宙的晚期,流出星系的气体形成了方向相对的两个锥筒-如同两个锥尖正对的冰淇凌锥筒,而星系在两个筒的中心旋转。物质流试图摆脱星系的暗物质(目前无法观测到的物质)晕产生的引力势阱,最终失去动能并回落回星系,不断循环的气体形成了星系尺度的涌泉。这个过程将星系中心的气体重新分配到了星系的边缘,进一步加速了星系转化为扁平的盘状:星系结构塑造了星系涌泉,反之亦然。

设计模拟了TNG50的研究团队的科学家们来自马克思·普朗克研究所(Garching and Heidelberg)、哈佛大学、麻省理工学院及计算天体物理学中心(Center for Computational Astrophysics (CCA))),他们最终将对天文学界以及公众公布所有模拟数据,这使得世界各地的天文学家都有机会发现TNG50宇宙的新奥秘—并有可能找到其他新生的从混沌中诞生秩序的宇宙现象的例子。

翻译:朱奕宁

审校:罗广祯

引进来源:英国皇家天文学会

引进链接:https://phys.org/news/2019-11-galactic-fountains-carousels-emerging-chaos.html

 

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