宇宙如何进化的?计算机创建800万个虚拟宇宙,恒星理论迎挑战

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宇宙超乎想象,包含数亿个星系。虽然科学家已经掌握了许多关于星系动力学的理论知识,但是这些巨大的星系是如何形成,生长和改变的,我们仍然难以理解。因为即使是一些相对年轻的星系也经常在数十亿年前形成。

科学家们一直在寻找更新,更好的方法来了解我们目前所处的宇宙,他们能够做到这一点的最好方法之一就是通过模拟。亚利桑那大学的研究人员最近宣布了一项新的发展。为了帮助科学家更好地了解我们的宇宙,Ocelote超级计算机已成功生成了800万个模拟宇宙。

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这些模拟的宇宙将直接用于与我们的实际宇宙进行比较。科学家希望通过比较,他们可以找到发生的宇宙事件的相关和重要线索,并得出更准确的结论,同时填补目前理论家所困惑的缺失数据点。

在短短三周内,超级计算机工作了400,000个CPU小时并模拟了800万个宇宙。这本身就是一项成就,但是Ocelote没有足够的力量来展示这些宇宙的每一个细节,因为它需要天文学。数字的计算能力,每个计算机模拟的“机械”宇宙包含1200万个星系。

相反,Ocelote和科学家创建了一个系统,其中计算机生成的结果在可观察的宇宙中占据了“重要的一部分”。同样重要的是要注意,每个创建的宇宙都是根据完全不同的规则设计的,这意味着科学家现在将需要进行大量忙碌的比较工作。

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虽然我们可以从观察和推理中学到很多东西,但计算机模拟更强大,可以帮助科学家填补空白。通常它们用于较小的尺度,但在这个例子中,研究人员使用宇宙机器几乎贯穿我们宇宙的整个时间轴,从大爆炸到大约4亿年到现在。

研究人员发现,最像我们真实宇宙的模拟宇宙具有相似的物理规则。令研究人员感到惊讶的是,科学家们对恒星形成的现有认识可能是错误的。计算机模拟帮助我们了解宇宙如何演化,甚至挑战现有理论。

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科学家最初认为恒星的形成是一种气体云(如星云),它在自身重量下会坍缩,形成致密的结和褶皱,从而引发恒星的吸积过程。还有一种观点认为它必须是形成恒星的冷却气体,气体越热,形成恒星就越难。

据信这种观点的证据存在于大多数星系中心的超大质量黑洞中。当它们活跃时,它们会加热它们周围的物质,即使有气体,它也会抑制恒星形成;这种热量也可以由爆炸性恒星产生;暗物质是一种神秘的未知物,它增加了宇宙的引力质量,人们认为暗物质也可以加热气体,因此暗物质也起到防止恒星形成的作用。

让我们回到宇宙的早期阶段,科学家认为暗物质的密度会更大,所以气体会变得更热。这不利于恒星的形成,因此很久以前宇宙中的许多星系应该停止形成恒星。然而,模拟科学家发现了相反的情况。与科学家的预期相反,一定大小的星系更有可能以更高的速度形成恒星。暗物质似乎对恒星的形成不那么敌视。

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当团队模拟恒星形成的突然冷却时,最终结果表明宇宙与真实宇宙非常不同,星系的颜色与真实宇宙不同。在没有更年轻,更蓝的恒星的情况下,宇宙比预期的要红得多。但是当恒星形成没有停止时,模拟的宇宙看起来更像我们用望远镜和眼睛看到的。科学家们不得不得出这样的结论:星系在早期形成恒星的效率比我们想象的要早,比我们预期的要早。

与此同时,所有这些都告诉我们,超大质量黑洞和爆炸恒星产生的能量不如天体物理学家在抑制恒星形成方面所预测的那样有效。相反,这意味着我们可能需要回到绘图板来弄清楚星系是如何死亡的。

该研究最近发表在《皇家天文学会月刊》,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。