宇宙学家创造破纪录的星系形成模拟

【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】通过了解恒星及起源，可以了解更多我们来自哪里。然而浩瀚的银河系——更不用说整个宇宙——意味着实验来理解它的起源是昂贵的、困难的和耗时的。事实上对于研究天体物理学的某些方面，实验是不可能的，这意味着为了更深入地了解星系是如何形成的，研究者们依赖于超级计算。为了开发一个更完整的星系形成的照片，海德堡理论研究所研究人员的大机构为天体物理学和天文学、麻省理工学院、哈佛大学和纽约的计算天体物理学中心转向超级计算资源在高性能计算中心斯图加特(hlr)，德国的三个世界级的超级计算机组成高斯超级计算中心的设施(GCS)。由此产生的模拟将有助于验证和扩展关于宇宙早期阶段的现有实验知识。

结合气体温度(颜色)和激波马赫数(如亮度)的复合材料。红色表示在巨大的星系团中心的1000万开尔文气体，而明亮的结构则显示来自星系间介质激波的扩散气体，在宇宙空洞和细丝之间的边界处。图片版权：Illustris Team

最近该团队扩大了其2015年破纪录的“插图”模拟——这是有史以来最大规模的星系形成的水文模拟。流体动力学模拟使研究人员能够精确模拟气体的运动。恒星从宇宙气体中形成，星光为天体物理学家和宇宙学家提供了重要的信息，以了解宇宙是如何运作的。研究人员改进了他们的模拟的范围和准确性，命名了这个项目的这个阶段的插图：下一代(IllustrisTNG)。该研究小组在《皇家天文学会月刊》上发表的三篇期刊文章中发表了第一轮研究成果，并准备发表更多论文。正如人类无法想像宇宙是如何形成的一样，计算机模拟也不能从字面意义上再现宇宙的诞生。相反研究人员将公式和其他起始条件——从卫星阵列和其他来源的观测——转化成一个巨大的计算立方体，它代表了宇宙的一大片区域，然后用数值方法将这个“宇宙在一个盒子里”运动起来。

许多方面的模拟,研究人员就可以开始他们的计算基础,或从头开始,水平不需要预想的输入数据，但是过程不太明白这些恒星的形成和增长的超大质量的holes-need被观察和了解通过假设可以简化计算。由于计算能力和专有技术的增加，也有能力模拟更大的空间区域，以及与星系形成相关的越来越复杂和复杂的现象。有了IllustrisTNG，团队在不同的分辨率下模拟了三个宇宙“切片”。最大的是300个大跨度的，大约10亿光年。该研究小组使用了24000颗榛子树核，其核心时间为3500万小时。在其中一项重大进展中，研究人员重新进行了模拟，使其包含了更精确的磁场计算方法，从而提高了模拟的准确性。“磁场很有趣，原因有很多，”海德堡理论研究学院的教授兼研究员、该项目的首席研究员沃克尔·斯普林教授说。“对宇宙气体施加的磁场压力有时会等于温度(温度)压力，这意味着如果你忽视了这一点，你就会失去这些效应，最终会影响你的结果。”

气体密度(左)和磁场强度(右)以最大规模的星系团为中心。放大的面板显示了磁场定向和恒星光(顶部)和x射线和来自大星团(底部)的射电发射。图片版权：Illustris Team

在发展杰出的团队的同时，团队也在理解黑洞物理方面取得了惊人的进展。基于观察的知识，研究人员知道超大质量的黑洞在很大程度上推动了宇宙气体，同时也将气体从星系团中“吹走”。这有助于在最大的星系中“关闭”恒星的形成，从而限制了它们所能达到的最大大小。在之前的模拟中，研究人员注意到，虽然黑洞通过能量传递过程，但它们不会完全关闭恒星形成。通过在模拟中修正黑洞的物理，研究小组在数据和观察之间发现了更好的一致性，使研究人员更相信他们的模拟与现实相符。该团队自2015年以来一直在使用GCS资源，自2016年3月以来一直在运行HLRS资源的IllustrisTNG模拟。考虑到IllustrisTNG的数据集比原始数据更大、更准确，研究人员相信他们的数据将被广泛使用，同时他们还需要更多的时间来继续完善模拟。最初的插图是收集了2000个注册用户，并产生了130多个出版物。

在此期间，研究人员依靠GCS支持人员来帮助处理与他们的代码相关的几个低级问题，特别是与内存崩溃和文件系统问题相关的问题。团队成员Drs。迪伦·纳尔逊(Dylan Nelson)和雷纳·温伯格(Rainer Weinberger)也都受益于参加2016年和2017年的HLRS级别的机器级规模研讨会。该团队与HLRS的长期合作导致了2016年和2017年的Golden Spike奖，在HLRS的年度结果和审查研讨会上授予优秀的用户项目。尼尔森指出，虽然现在的超级计算机已经使模拟在很大程度上克服了与大规模宇宙学模型相关的最基本的问题，但仍有改进的机会。下一代系统的内存和处理资源的增加，将使我们能够以更高的分辨率模拟宇宙的大体积。大体积对于宇宙学来说是重要的，理解宇宙的大尺度结构，并对下一代大型观测项目做出坚定的预测。”高分辨率对于提高我们模拟中单个星系内部的物理模型是很重要的。

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参考：皇家天文学会月报

内容：经“博科园”判定符合今主流科学

来自：高斯超级计算中心

编译：中子星

审校：博科园

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