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简介：星系是如何发展的？我们观测到的宇宙和星系，只是现在的一个截图，不是演化过程。科学家利用超级计算机，根据不同的理论模仿星系演变过程，推测出符合现状的理论原则。

这些“宇宙机器”将有助于理解我们实际时空的物理规则。

哈勃太空望远镜拍摄了这张Abell 370的照片，这是一个距离地球40亿光年的星系团。几百个星系被引力联系在一起。蓝光的弧线是星系团后面遥远星系的扭曲图像，光线太暗，哈勃无法直接看到。图片来源：NASA、ESA、J·Lotz和HFF团队/STScI。

像银河系这样的星系是如何形成的？它们是如何成长和改变的？星系形成背后的科学原理几十年来一直是个谜，但亚利桑那大学(UA)领导的一个科学家团队通过超级计算机模拟，向找到答案又迈进了一步。

在太空中观察真实的星系只能得到时间上的快照，所以想要研究星系在数十亿年里是如何演化的研究人员必须回到计算机模拟。传统上，天文学家使用这种方法来一个接一个地发明和测试星系形成的新理论。UA Steward天文台的助理教授Peter Behroozi和他的团队克服了这个障碍，在一台超级计算机上生成了数百万个不同的宇宙，每个宇宙都遵循不同的物理理论来解释星系应该如何形成。

壮观螺旋星系：吞噬邻近矮星系不断壮大。图源：nanyu.lamost

这些发现发表在《皇家天文学会月刊》上，对暗物质在星系形成中扮演的角色、星系如何随时间演变以及它们如何产生恒星等基本问题提出了质疑。

“在电脑上，我们可以创建许多不同的宇宙，并将它们与实际宇宙进行比较，这让我们可以推断出哪些规则会导致我们看到的宇宙，”本研究的主要作者贝鲁兹(Behroozi)说。

这项研究第一次创建自我一致的宇宙,这些模拟宇宙都是真实宇宙的精准复制品:计算机模拟每一个都代表了实际宇宙的很大一部分,包含1200万个星系,跨越时间从大爆炸后的4亿年到今天。

每个“宇宙机器”宇宙都经过了一系列测试，以评估在生成的宇宙中，与真实宇宙相比，类似的星系是如何出现的。与我们最相似的宇宙都有着相似的基本物理规律，这为研究星系的形成提供了一种强有力的新方法。

作者们称他们的方法为“宇宙机器”，其结果帮助解决了一个长期存在的悖论:为什么星系在保留了大量的氢气(恒星形成的原材料)的情况下仍然停止形成新恒星。

关于星系如何形成恒星的普遍观点涉及到在重力作用下冷气体坍缩成稠密的小块从而产生恒星的复杂相互作用，而其他过程则抵消了恒星的形成。

明亮螺旋星系喷射高速气流或在“酝酿”新星。图源：中新网。

例如，人们认为大多数星系的中心都有超大质量黑洞。落入这些黑洞的物质会释放出巨大的能量，就像宇宙喷灯一样阻止气体冷却到足以坍缩成恒星托儿所的程度。类似地，在超新星爆炸中结束生命的恒星也参与了这一过程。暗物质也扮演着重要的角色，因为它提供了作用于星系中可见物质的大部分引力，从星系周围吸入冷气体，并在此过程中使其升温。

“当我们回到宇宙中越来越早的时候，我们会认为暗物质的密度会越来越大，因此气体会变得越来越热。这不利于恒星的形成，所以我们认为早期宇宙中的许多星系应该在很久以前就停止了恒星的形成，”贝鲁兹说。“但我们发现了相反的情况:特定大小的星系更有可能以更高的速度形成恒星，这与预期相反。”

一个由美国航空航天局领导的科学家团队在一台超级计算机上生成了数百万个不同的宇宙，每个宇宙都遵循不同的星系形成物理理论。图片来源:NASA、ESA、J. Lotz和HFF团队/STScI

贝鲁兹解释说，为了与实际观测到的星系相匹配，他的团队必须创造出与之相反的虚拟宇宙——星系持续大量产生恒星的宇宙。

另一方面，如果研究人员根据目前的星系形成理论创造宇宙——在这些宇宙中，星系在早期就停止形成恒星——这些星系看起来比我们在天空中看到的星系要红得多。

星系呈现红色有两个原因。第一个现象在自然界中是显而易见的，它与星系的年龄有关——如果它在宇宙历史中形成得更早，它就会以更快的速度移动，将光线转移到红色光谱中。天文学家称之为红移效应。另一个原因是内在的:如果一个星系已经停止形成恒星，它将包含更少的蓝色恒星，这些恒星通常会消失得更早，剩下的是更古老、更红的恒星。

“但是我们没有看到，”贝鲁兹说。“如果星系的行为和我们想象的一样，并且更早地停止形成恒星，那么我们实际的宇宙将会是完全错误的。”换句话说，我们被迫得出这样的结论:星系在早期形成恒星的效率比我们想象的要高。这告诉我们，超大质量黑洞和爆炸恒星产生的能量在抑制恒星形成方面的效率低于我们的理论预测。”

根据贝鲁兹的说法，创造空前复杂的模拟宇宙需要一种全新的方法，这种方法不受计算能力和内存的限制，并提供足够的分辨率，从“小”物体(如超新星)到可观测宇宙的相当大一块。

“模拟一个星系需要10到48次方的计算操作，”他解释道。“地球上所有的计算机加起来一百年也做不到这一点。所以为了模拟一个星系，更不用说1200万个了，我们必须用不同的方法。”

除了利用美国宇航局艾姆斯研究中心和德国莱布尼兹-雷琴茨中心的计算机资源外，该团队还在UA高性能计算集群中使用了“Ocelote”超级计算机。2000多个处理器在三周内同时处理这些数据。在研究项目的过程中，贝鲁兹和他的同事创造了超过800万个不同的模拟宇宙。

“我们将过去20年的天文观测与我们创造的数百万个模拟宇宙进行了比较，”贝鲁兹解释道。“我们把成千上万条信息拼在一起，看哪些匹配。我们创造的宇宙看起来对吗?如果没有，我们就回去修改，再检查一遍，直到匹配了为止”

为了进一步了解星系是如何形成的，贝鲁兹和他的同事们计划扩展“宇宙机器”项目，包括单个星系的形态以及它们的形状如何随时间演变等。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.Lee Cavendish-叶子酱

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