為了尋找看不見的怪東西，科學家“養(yǎng)”了800萬個嬰兒宇宙
在這張哈勃深空圖片中，包含了許多正在以極高的速率制造恒星的遙遠矮星系。 NASA, ESA, the GOODS Team and M. Giavalisco (STScI/University of Massachusetts)
最近，有一些科學家在超級計算機里培養(yǎng)了800萬個嬰兒宇宙，觀察它們，研究它們，了解它們，看著它們一點點“長大”。這么做的目的，是為了了解可能存在的“暗物質(zhì)”在宇宙中扮演著什么樣的角色，以及它對人類的命運意味著什么。
上世紀60年代，天文學家發(fā)現(xiàn)宇宙中的大部分質(zhì)量我們無法看到，便給這些看不到的質(zhì)量起名為“暗物質(zhì)”。隨后有科學家便一直揣測這些看不見的物質(zhì)，對于星系的形成以及星系生產(chǎn)恒星的能力方面，起著什么樣的作用。
根據(jù)大爆炸理論，宇宙誕生后不久，看不見的“暗物質(zhì)”便開始在引力的作用下形成巨大的“云團”。隨著這些被稱為“暗物質(zhì)暈”的“云團”逐漸長大，周圍太空里的氫開始匯聚在一起，形成了今天我們看到的恒星和星系。在這個理論里，暗物質(zhì)就像是星系的骨架，支配著星系的形成、融合和演化。
南天哈勃紫外深空。 ESA/Hubble & NASA
為了更好地理解暗物質(zhì)的作用，亞利桑那大學的Peter Behroozi等人讓一臺擁有2000個處理器的超級計算機不間斷地運行了3個星期，對800多萬個各不相同的宇宙進行了模擬。這些宇宙中的每一個都有一套獨特的規(guī)則。研究人員希望通過這種方法，摸清暗物質(zhì)和星系演化之間的關(guān)系。
Behroozi表示，我們可以在計算機里“創(chuàng)造”出許多不同的宇宙，并將這些宇宙的特點和我們的現(xiàn)實宇宙進行比較，進而了解我們的宇宙是在哪些規(guī)則的主導下形成的。
計算機程序在虛擬環(huán)境里持續(xù)地創(chuàng)造了幾百萬個宇宙，這些宇宙中的每一個都包含1200萬個星系。它們在計算機里演化，大爆炸后4億年到今天的演化過程就這樣直觀地呈現(xiàn)在了我們眼前。
參與研究的斯坦福大學物理學和天體物理學教授Risa Wechsler表示，所有問題中最重要的一個是——星系究竟是怎么形成的？而這個項目中最吸引人的部分是，我們可以把我們所掌握的一切與星系演化有關(guān)的數(shù)據(jù)——如星系的數(shù)量、星系中恒星的數(shù)量，以及恒星的形成機制等融合在一起，將過去130億年間我們宇宙的完整畫面還原出來。
進行這樣的模擬無疑需要極強的計算能力支持。僅僅模擬一個星系所需要的計算能力，就相當于將全球所有計算機聯(lián)合起來，持續(xù)運行100年。為了不用等待那么久，研究人員將模擬作了一些簡化，在模擬中，他們只采用了星系的兩個關(guān)鍵特性——星系內(nèi)恒星的質(zhì)量總和和星系的恒星產(chǎn)生率。
在模擬中，計算機程序還會引入一些合理的猜測，比如星系恒星產(chǎn)生率和星系年齡之間的關(guān)系，以及星系之間、星系和暗物質(zhì)暈之間的影響方式等。所有這些宇宙的模擬結(jié)果，都會與現(xiàn)實宇宙進行比較，并在迭代過程中對物理參數(shù)進行微調(diào)，以使它們更符合實際情況。通過這種方法，我們最終得到的，是一個和我們這個宇宙幾乎一模一樣的模擬宇宙。
根據(jù)Wechsler的說法，在這個宇宙中，每個星系的恒星產(chǎn)生率都與暗物質(zhì)暈的質(zhì)量緊密相關(guān)。那些暗物質(zhì)暈質(zhì)量和銀河系暗物質(zhì)暈質(zhì)量相當?shù)男窍祿碛凶罡叩暮阈钱a(chǎn)生率。她解釋說，星系如果質(zhì)量較大，它們的恒星產(chǎn)生率會因星系中存在更多的黑洞而受限。
實驗結(jié)果也讓研究人員開始懷疑，早期宇宙中的恒星產(chǎn)生率會受制于暗物質(zhì)這一長期以來人們堅信的說法是否可靠。
人們通常認為，時間越早，宇宙中暗物質(zhì)的密度就越大，氣體的溫度就越高。這對于恒星的產(chǎn)生是不利的。因此在早期宇宙的許多星系中，恒星的產(chǎn)生很早就停止了。但是模擬的結(jié)果卻恰恰相反，星系們更傾向于擁有較高的恒星產(chǎn)生率。
未來科學家將使用這個模擬器，對暗物質(zhì)影響星系特性的更多方式進行檢驗，包括暗物質(zhì)對星系形態(tài)演化的影響，與星系內(nèi)黑洞質(zhì)量總和的關(guān)系，以及與星系內(nèi)超新星產(chǎn)生率的關(guān)系等。
旋渦星系的演化。 NASA, ESA, P. van Dokkum (Yale University), S. Patel (Leiden University), and the 3D-HST Team
Wechsler表示，對于研究人員來說，最令人興奮的是，現(xiàn)在他們擁有了一個有效的框架，能夠把疑問放進去尋求答案。這是一個完整的計算模型，可供人們對宇宙進行快速演繹。
這些科學家的研究成果發(fā)表在近日的《英國皇家天文學會月刊》上。
[參考] UNIVERSEMACHINE: The correlation between galaxy growth and dark matter halo assembly from z = 0−10 https://academic.oup.com/mnras/article/488/3/3143/5484868
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