【博科园-科学科普-欢迎留言评论或建议】新的计算方法已经帮助天体物理学家创建了有史以来产生信息最丰富的宇宙大尺度模拟。新的工具为黑洞如何影响暗物质的分布，重元素在整个宇宙中的形成和分布以及磁场的产生提供了新解释。
由海德堡理论研究所的主要研究人员Volker Springel领导，来自马克斯普朗克天文学研究所（MPIA，海德堡）天体物理学（MPA，Garching），哈佛大学，麻省理工学院（MIT）的天体物理学家和熨斗研究所的计算天体物理中心（CCA）开发和编程新的宇宙模拟模型，被称为Illustris或IllustrisTNG。
宇宙气体（蓝色）周围的暗物质结构（橙/白）周围的冲击波强度的可视化。类似于音爆，这些冲击波中的气体在撞击宇宙的细丝和星系时会加速震动。图片版权：IllustrisTNG collaboration
CCA副研究员Shy Genel说：这个模型是同类中最先进的宇宙模拟，帮助开发和磨练了IllustrisTNG。模拟的细节和规模使Genel能够研究星系如何形成，演化和成长与恒星形成活动。当使用望远镜观测星系时只能测量一定的数量。通过模拟可以追踪所有这些星系的所有特性，而不仅仅是星系的外观而是整个星系的形成历史。模拟出星系在模拟中演变的方式，可以了解当地球形成时银河系可能是什么样子以及我们的银河系在将来如何变化。
通过IllustrisTNG项目最规模模拟中的宇宙大尺度结构进行薄片化。图像亮度指示质量密度和颜色使普通（重子）物质的平均气体温度可视化。展示区域从左至右延伸约12亿光年。潜在的模拟是目前最大的星系形成的磁流体动力学模拟，包含超过300亿体积的元素和粒子。图片版权：IllustrisTNG collaboration
麻省理工学院物理学助理教授，麻省理工学院Kavli天体物理学与空间研究所的Mark Vogelsberger一直致力于开发，测试和分析新的IllustrisTNG模拟。随着博士后研究人员Federico Marinacci和Paul Torrey，Vogelsberger一直在使用IllustrisTNG来研究宇宙中大规模磁场的可观察特征。Vogelsberger说：IllustrisTNG的高分辨率与其复杂的星系形成模型相结合，使我们能够更详细地探索这些磁场问题，
以TNG100计算中的第二大质量星系团为中心，以100千米厚度的薄片（在观察方向）呈现气体速度。如果图像是黑色的，气体几乎不动，而白色区域的速度超过每秒1000公里。图像将宇宙丝中的气体运动与由深引力势阱引起的快速混沌运动和位于其中心的超大质量黑洞进行对比。图片版权：IllustrisTNG collaboration
建模（更）现实的宇宙
IllustrisTNG是由同一个研究团队开发的原始Illustris模拟的后继模型，但已被更新为包含一些在星系形成和演化中起关键作用的物理过程。像Illustris一样，这个项目模拟了一个立方体形状的宇宙。这一次这个项目是在宇宙的一个具有代表性的地区形成数百万个星系，每边近10亿光年（四年前每边3.5亿光年）。来自MPA和海德堡大学的Springel说：lllustrisTNG是迄今为止最大的宇宙结构流体动力学模拟项目。
星际磁场强度：蓝/紫色显示沿着宇宙网的细丝排列的低磁能区域，而橙色和白色显示在晕圈和星系内具有显着磁能的区域。从模拟开始到z = 0，TNG100-1内部10Mpc（相邻区域）内部的时间演变。图片版权：TNG Collaboration
IllustrisTNG预测的宇宙气体和暗物质网产生的星系与真实星系的形状和大小非常相似。流体动力学模拟首次可以直接计算出太空星系的详细聚类模式。Springel说：与观测数据相比，如强大的斯隆数字巡天（Sloan Digital Sky Survey）提供的数据，来自IllustrisTNG的模拟结果表现出高度的现实性。
另外模拟预测了宇宙网随时间的变化，特别是与宇宙背后的暗物质有关。特别令人着迷的是可以准确预测超大质量黑洞对物质分布的影响。这对于可靠解释即将到来的宇宙学测量结果至关重要。
TNG100-1和Illustris-1之间星系间气体（质量）的分布比较。低密度空洞（黑/深蓝）向宇宙丝（黄/绿），气晕（浅蓝）和单个星系（白色）过渡。在两个模拟之间比较了完全相同的10Mpc（相交）区域的时间演变，这两个模拟由于星系形成模型的不同而在大尺度上分布不同的气体。图片版权：TNG Collaboration
通过代码和超级计算机的天体物理学
对于这个项目，研究人员开发了一个特别强大的高度并行的移动网格代码AREPO，并将其用于德国斯图加特高性能计算中心的德国最快的大型计算机Hazel Hen机器上。为了计算两个主要模拟运行中的一个，该团队在两个多月的时间内使用了超过24000个处理器。Springel说：新的模拟产生了500TB以上的模拟数据，分析这个庞大的数据将使我们在未来几年中保持繁忙，并且能够对不同的天体物理过程提供许多令人兴奋的新解释。
从外部呈现的10Mpc（可互换）立方体区域的时间演变。该影像显示了气体温度（蓝色：冷，绿色：暖：白色：热），比较原始Illustris（左）和TNG100（右）。在这两种情况下宇宙网中节点周围的快速温度波动和爆发是由于模拟中的各种高能“反馈”过程造成的。这些包括来自恒星的能量（超新星爆炸）以及来自超大质量黑洞的热量和高速风。图片版权：TNG Collaboration
超大质量黑洞压制恒星的形成
在另一项研究中，MPA的研究员Dylan Nelson能够证明黑洞对星系的影响。恒星形成的星系在年轻恒星的蓝光中明亮地闪烁，直到突然的演化转变使恒星形成停止，使星系成为由古老的红色恒星所主导，并进入一个满是古老和死亡星系的坟墓。纳尔逊解释说：能够熄灭大型椭圆星系中恒星形成的唯一物理实体就是它们中心的超大质量黑洞。这些重力陷阱超快速流出速度达到了光速的10％，影响了比小黑洞本身大数十亿倍的巨型恒星系统。
八种观点：从TNG100-1中可以看出一个10Mpc的小型宇宙空间不断演变的结构。每个视图显示了不同的模拟输出（从左到右、顶部）：气体密度，暗物质密度，恒星质量，磁场强度，（底部）气体温度，气体金属性，气体速度场和OVI的柱密度 - 氧（O 5+）的第五电离态。每个视图显示了相同的空间区域，所有这些组件在模拟运行时一起共同演变。图片版权：TNG Collaboration
星系结构的新发现
IllustrisTNG也提高了我们对星系形成的层次结构的理解。理论家们认为小星系应该先形成，然后再融合成更大的结构系统，这是由引力无情拉动所驱动的。众多的星系碰撞实际上撕裂了一些星系，把它们的星星分散到新创造的大星系周围的高轨道上，这给星系带来了微弱的背景光辉。这些预测的苍白的恒星光晕很难观测，因为表面亮度低，但是IllustrisTNG能够精确地模拟天文学家应该寻找的东西。MPIA的研究员Annalisa Pillepich指出：我们预测现在可以被观察者系统地检查出来，他还领导了一个IllustrisTNG的研究，这对分层星系形成的理论模型产生了一个重要的考验。
在z = 0时最大的TNG300星团（光晕质量约为太阳质量的10^15倍）。随着时间的推移在空间缓慢旋转以显示来自不同视点的结构。四个面板中的每一个显示相同的预测X射线发射（以背景颜色），而覆盖的等高线显示预测的同步辐射，正如四个射电望远镜之一所观察到的：VLA，LOFAR，ASKAP或SKA。图片版权：TNG Collaboration
知识：科学无国界，博科园-科学科普
参考：皇家天文学会月刊
内容：经“博科园”判定符合今主流科学
来自：Simons Foundation
编译：中子星
审校：博科园
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