來(lái)自德國(guó)和美國(guó)的科學(xué)家公布了最新完成的，最新的星系演化模擬結(jié)果。TNG50是迄今為止最詳細(xì)的大規(guī)模宇宙學(xué)模擬。它使研究人員能夠詳細(xì)研究自大爆炸之后不久星系的形成方式以及它們?nèi)绾窝莼?。這是第一次揭示出繞著星系流動(dòng)的宇宙氣體的幾何形狀決定了星系的結(jié)構(gòu)，反之亦然。研究人員將其結(jié)果發(fā)表在《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》上的兩篇論文中。

進(jìn)行宇宙模擬的天文學(xué)家面臨一個(gè)基本的權(quán)衡：憑借有限的計(jì)算能力，到目前為止，典型的模擬要么非常詳細(xì)，要么跨越了大量的虛擬空間，但到目前為止卻無(wú)法做到。有限體積的詳細(xì)模擬最多只能模擬幾個(gè)星系，因此很難進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推論。反過(guò)來(lái)，大容量模擬通常缺少重現(xiàn)我們?cè)谧约旱挠钪嬷杏^察到的許多小規(guī)模屬性所需的細(xì)節(jié)，從而降低了其預(yù)測(cè)能力。

剛剛發(fā)布的TNG50模擬能夠避免這種折衷。它首次將大規(guī)模宇宙學(xué)模擬(盒子中的宇宙)的思想與“縮放”模擬的計(jì)算分辨率結(jié)合在一起，其詳細(xì)程度以前只能用于研究單個(gè)星系。

在一個(gè)超過(guò)2.3億光年的模擬空間立方體中，TNG50可以辨別發(fā)生在規(guī)模小一百萬(wàn)倍的規(guī)模上的物理現(xiàn)象，追蹤在138億年的宇宙歷史中成千上萬(wàn)個(gè)星系的同時(shí)演化。這樣做有超過(guò)200億個(gè)代表暗(不可見(jiàn))物質(zhì)，恒星，宇宙氣體，磁場(chǎng)和超大質(zhì)量黑洞的粒子。計(jì)算本身需要在斯圖加特的Hazel Hen超級(jí)計(jì)算機(jī)上使用16,000個(gè)內(nèi)核，并且以24/7的速度協(xié)同工作一年以上-相當(dāng)于在單個(gè)處理器上一萬(wàn)五千年，使其成為迄今為止最苛刻的天體物理計(jì)算之一。

TNG50的首批科學(xué)結(jié)果由Annalisa Pillepich博士(馬克斯·普朗克天文學(xué)研究所，海德堡)和Dylan Nelson博士(馬克斯·普朗克天文物理研究所，加爾興)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)表，揭示了無(wú)法預(yù)料的物理現(xiàn)象。尼爾森說(shuō)：“這種數(shù)字實(shí)驗(yàn)在您投入更多精力之后尤其成功。在我們的仿真中，我們看到未明確編程到仿真代碼中的現(xiàn)象。這些現(xiàn)象以自然的方式出現(xiàn)，從模型宇宙的基本物理成分之間復(fù)雜的相互作用。”

TNG50具有兩個(gè)突出的例子來(lái)說(shuō)明這種緊急情況。第一個(gè)問(wèn)題涉及像我們自己的銀河系一樣的“盤狀”星系的形成。使用模擬作為時(shí)間機(jī)器來(lái)倒回宇宙結(jié)構(gòu)的演化，研究人員已經(jīng)看到，秩序井然，快速旋轉(zhuǎn)的盤狀星系(在我們附近的宇宙中很常見(jiàn))是如何從混亂，雜亂無(wú)章，高度湍流的氣體云中出現(xiàn)的較早的時(shí)代。

隨著氣體的沉降，通常會(huì)在越來(lái)越多的圓形軌道上發(fā)現(xiàn)新生恒星，最終形成大型旋渦星系-銀河轉(zhuǎn)盤。Annalisa Pillepich解釋說(shuō)：“實(shí)際上，TNG50表明我們擁有薄盤狀的銀河系正處于銀河系時(shí)尚的頂峰：在過(guò)去的100億年中，至少那些仍在形成新恒星的星系已變得越來(lái)越多像盤一樣，它們的混亂內(nèi)部運(yùn)動(dòng)大大減少了。當(dāng)它只有幾十億年的歷史時(shí)，宇宙就更加混亂了!”