银河系等星系是如何形成的？他们如何随着时间的推移而成长和变化？几十年来，星系形成背后的科学仍然是一个难题，但由于超级计算机模拟，亚利桑那大学领导的科学家团队距离寻找答案又近了一步。
观测太空中的真实星系只能及时提供快照，因此想要研究星系如何在数十亿年内演变的研究人员必须恢复计算机模拟。传统上，天文学家已经使用这种方法逐一发明和测试新的星系形成理论。 UA Steward Observatory的助理教授Peter Behroozi和他的团队通过在超级计算机上产生数百万个不同的宇宙克服了这一障碍，每个宇宙都遵循不同的物理理论来确定星系应该如何形成。
该研究结果发表在皇家天文学会月刊上，对有关暗物质在星系形成中的作用，星系如何随时间演变以及如何生成恒星的方法提出了挑战。
“在计算机上，我们可以创建许多不同的宇宙，并将它们与实际宇宙进行比较，这可以让我们推断出哪些规则可以导致我们看到的那些，”该研究的主要作者Behroozi说。
这项研究是第一个创造自我一致的宇宙，它们是真实宇宙的精确复制品：计算机模拟，每个宇宙代表实际宇宙中相当大的一块，包含1200万个星系，并且跨越大爆炸后4亿年的时间到今天。
每个“前Machina”宇宙都经过一系列测试，以评估与真实宇宙相比，生成的宇宙中星系的相似程度。与我们自己最相似的宇宙都具有相似的潜在物理规则，展示了研究星系形成的强大新方法。
正如作者所说的那样，“宇宙机器”的结果帮助解决了为什么即使星系保留了大量氢气（即制造恒星的原材料）而不再形成新恒星的长期悖论。
关于星系如何形成恒星的常见观点涉及冷气体在重力作用下坍缩形成致密口袋而产生恒星的复杂相互作用，而其他过程则抵消恒星形成。
例如，据认为大多数星系在其中心都有超大质量黑洞。落入这些黑洞的物质散发出巨大的能量，充当宇宙喷射器，防止气体冷却到足以坍塌成恒星托儿所。同样，在超新星爆炸中结束生命的恒星也有助于这一过程。暗物质也发挥了重要作用，因为它提供了作用于星系中可见物质的大部分重力，从星系周围吸入冷气体并在此过程中加热。
“当我们在宇宙的早期和早期回归时，我们会期望暗物质更密集，因此天然气变得更热和更热。这对于恒星形成是不利的，所以我们认为早期的许多星系很久以前宇宙应该停止形成恒星，“Behroozi说。 “但我们发现相反的情况：给定尺寸的星系更有可能以更高的速度形成恒星，与预期相反。”
Behroozi解释说，为了匹配实际星系的观测，他的团队不得不创建虚拟宇宙，其中相反的情况就是这样 - 宇宙中的星系长时间不停地生成恒星。
另一方面，如果研究人员根据当前的星系形成理论创造了宇宙 - 宇宙中星系早期不再形成恒星 - 那些星系看起来比我们在天空中看到的星系要红得多。
星系出现红色有两个原因。第一个在本质上是显而易见的，与星系的年龄有关 - 如果它在宇宙历史的早期形成，它将更快地移动，将光线转移到红色光谱中。天文学家称此效应为红移。另一个原因是内在的： - 如果一个星系停止形成恒星，它将包含更少的蓝色恒星，它们通常会更快地消失，并留下较旧的较红的恒星。
“但我们没有看到，”Behroozi说。 “如果星系像我们想象的那样表现并且早先停止形成恒星，那么我们的实际宇宙就会被染成错误。换句话说，我们不得不得出结论，星系在早期比我们想象的更有效地形成恒星。这告诉我们是因为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的效率低于我们的理论预测。“
根据Behroozi的说法，创造前所未有的复杂模拟宇宙需要一种全新的方法，不受计算能力和记忆的限制，并提供足够的分辨率来跨越从“小”的单个物体（如超新星）到相当大的尺度。可观察宇宙的一大块。
“模拟单个星系需要10到48次计算操作，”他解释道。 “地球上的所有计算机在一百年内都无法实现这一目标。因此，为了模拟单个星系，更不用说1200万个，我们不得不采取不同的方式。”
除了利用NASA Ames研究中心和德国Garching的Leibniz-Rechenzentrum的计算资源外，该团队还在UA高性能计算集群中使用了“Ocelote”超级计算机。两千名处理器在三周内同时处理数据。在研究项目的过程中，Behroozi和他的同事创造了800多万个宇宙。
“我们对过去20年的天文观测进行了比较，并将它们与我们生成的数百万个模拟宇宙进行了比较，”Behroozi解释道。 “我们拼凑了数千条信息，看看哪些匹配。我们创造的宇宙是否正确？如果没有，我们会回去修改，然后再检查一下。”
为了进一步了解星系是如何形成的，Behroozi和他的同事计划扩展宇宙机器，包括单个星系的形态以及它们的形状随时间的演变。
论文“Universysachine：星系生长与暗物质光晕组合之间的相关性从z = 0-10”，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。资金由美国国家航空航天局，国家科学基金会和慕尼黑天体和粒子物理研究所提供。
——文章发布于2019年8月9日
