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超级计算机3个星期模拟出800万个宇宙,恒星形成理论面临挑战

2019-08-13 08:33:41

宇宙大得超乎想象,包含着数以亿计的星系。虽然科学家已经掌握了很多星系动力学的理论知识,但是这些巨大的星系是如何形成、成长和变化的,仍然是我们难以理解的。因为即使是一些相对年轻的星系,也往往是数十亿年前形成的。

科学家们总是在寻找更新更好的方法来理解我们目前生存的宇宙,而他们能做到这一点的最好方法之一就是通过模拟。亚利桑那大学研究人员最近宣布了一项新的进展,为了帮助科学家更好的理解我们的宇宙,Ocelote超级计算机已经成功生成了800万个模拟宇宙。

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这些模拟宇宙将直接用来与我们的实际宇宙进行比较,科学家希望通过比较,能够对发生的宇宙事件找到相关的重要线索得出更准的结论,同时填补目前让理论家们困惑的缺失数据点。

超级计算机在短短三周内,工作了40万个CPU小时,模拟出了800万个宇宙,这本身就是一个成就,但Ocelote并没有足够的能力呈现这些宇宙的每一个细节,因为这需要天文数字的计算能力,每个电脑模拟的“机械”宇宙中包含1200万个星系。

取而代之的是,Ocelote和科学家们创造了一个系统,在这个系统中,计算机产生的结果占可观测宇宙中的“相当大的一块”。还需要特别指出的是,每一个被创造的宇宙都是在一套完全不同的规则下被设计出来的,这意味着科学家现在将会有海量的繁忙的比较工作要做。

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虽然我们可以从观察和推理中了解很多东西,但计算机模拟更强大,可以帮助科学家填补空白。通常它们被用于更小的尺度,但在这个实例子中,研究人员使用宇宙机器来贯穿我们宇宙的几乎整个时间轴,从大爆炸发生大约4亿年的时间,一直延展到现在。

研究人员发现,最像我们真实宇宙的那些模拟宇宙都有相似的物理规则。而且让研究人员意外的是,科学家现有的对恒星形成的理解可能有些错误,计算机模拟帮助我们理解宇宙如何进化的同时,甚至正在挑战现有的理论。

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科学家本来认为,恒星的形成是气体云(如星云)在自身重量的作用下发生坍缩,形成致密的结和褶皱,从而启动了恒星的吸积过程。另外还有观点,认为必须是冷却气体才能形成恒星,气体越热,恒星就越难形成。

亚博开户网址亚博yabo首页亚博app 官网这一观点的证据被认为可以在大多数星系中心的超大质量黑洞中找到。当它们活跃时,它们会加热它们周围的物质,这种物质能够抑制恒星形成,即使有气体存在;这种热量也可以由爆炸的恒星产生;暗物质是一种神秘的未知物质,它给宇宙增加了引力质量,人们认为暗物质也能加热气体,因此暗物质在阻止恒星形成方面也发挥了作用。

让我们回到宇宙中更早的时期,科学家认为暗物质的密度会更大,因此气体会变得更热。这不利于恒星的形成,所以早期宇宙中的许多星系应该在很久以前就停止形成恒星了。然而模拟中科学家却发现了相反的情况: 特定大小的星系更有可能以更高的速度形成恒星,这与科学家的预期相反。暗物质似乎对恒星的形成并没有那么大的敌意。

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当研究小组进行恒星形成时骤冷的模拟时,最终的结果显示,宇宙与真实宇宙大不相同,星系的颜色也和真实宇宙不一致。 由于缺少更年轻、更蓝的恒星,宇宙比预期的要红得多。但是当恒星的形成没有停止时,模拟宇宙看起来更像我们用望远镜和眼睛看到的。科学家被迫得出结论,星系在早期形成恒星的效率比我们想象的要高,也比我们预期的要更早。

同时这一切告诉我们,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并没有没有天体物理学家理论预测的那么有效。反过来,这意味着我们可能需要回到画板上来弄清楚星系是如何死亡的。

该项研究最近发表在《皇家天文学会月刊》上,由斯坦福大学的Risa Wechsler、阿贡国家实验室的Andrew Hearin和哈佛大学的Charlie Conroy共同撰写。

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