对于逼真的银河系模拟,只需添加星团式恒星形成

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点。


从其星光和气体含量来看(如上图所示),Eris 似乎与我们自己的银河系非常相似——只是它仅作为超级计算机内部的模拟存在。直到最近,逼真的银河系模拟才出现。现在,加州大学圣克鲁兹分校苏黎世大学理论物理研究所的天体物理学家们,通过调整银河系中恒星的形成方式,比以往任何时候都更好地模拟了我们的星系。他们的研究结果即将发表在《天体物理学杂志》上,但在此期间可在 arXiv 上查阅

以前试图重现像银河系这样的星系的模拟,未能产生足够接近现实的结果。银河系直径为 100,000 光年,厚度为 1,000 光年,拥有 sweeping 的旋臂,这些旋臂由一个棒状结构连接到中央凸起。凸起主要包含较老的恒星,而旋臂上则布满了最热的年轻恒星。我们的太阳系位于银河系中心向外约三分之二的位置,在被称为猎户座-天鹅座旋臂的其中一条旋臂上。一个包含古老恒星球状星团的晕轮以大致球形的形状环绕着银河系。

以前的模拟倾向于创建凸起过大而星盘过小的星系。Javiera Guedes,当时是加州大学圣克鲁兹分校的研究生,她的导师 Piero Madau,以及来自苏黎世理论物理研究所的两位同事,提出了一种模拟,其中凸起和星盘更像银河系中的样子。这是第一个可以创建星系的模拟,其特征都与我们对银河系的观测结果一致。他们将其命名为 Eris。


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Eris 成功的关键是对恒星形成采取了更现实的方法。真实星系中的恒星形成以比以前的模拟能够重现的更集群的方式发生。Eris 比以前的模拟具有更高的分辨率,因此能够模拟这种更复杂的恒星形成。它通过将恒星形成的阈值设置得更高来实现这一点,从而使密度差异能够在模拟的星际介质(由气体和尘埃组成)中形成。这意味着恒星仅在星际介质的稠密区域形成,从而产生在现实中恒星形成时出现的星团。

恒星爆炸通常会将气体从周围环境中吹走。由于此模拟中的恒星是在稠密区域形成的,因此当寿命较短的大质量恒星爆炸时,会有更多的气体被吹走。在这些爆炸期间喷射出的气体永远不会到达星系的中央凸起,这意味着凸起没有像可能的那样变大——使模拟星系更像银河系,具有相对较小的中央凸起。

该模拟涉及 6000 万个粒子,包括模拟星系中的所有气体、暗物质和恒星。因此,该模拟需要大量的计算机算力和时间——在美国宇航局的昴星团超级计算机上运行了 140 万个处理器小时,以及研究人员所在机构的超级计算机上的时间。

Guedes 和她的同事们通过运行一个分辨率较低的双胞胎模拟,计算出是模拟的高分辨率及其对恒星形成的影响,使 Eris 更接近银河系。Eris 的较低分辨率双胞胎模拟出的星系不太像银河系,而更像以前模拟中的星系。

Eris 的成功支持了宇宙的 ΛCDM 模型,这是我们拥有的与观测结果最一致的最简单模型。“Λ”(发音为“lambda”)指的是宇宙的暗能量成分,因为这是爱因斯坦最初用于他的宇宙常数的符号——他添加到场方程中的数学附加物,使它们能够描述一个静态宇宙。当天文学家意识到宇宙不是静态的时,宇宙常数被移除,但最终又作为描述暗能量的有用方法回归,暗能量正在迫使宇宙进入加速膨胀时期。“CDM”部分代表冷暗物质。“冷”是因为它移动速度不快,“暗”是因为它不与光相互作用,因此几乎不可能被探测到。ΛCDM 模型结合了暗物质和暗能量来解释宇宙,并且效果相当好。

银河系模拟可能还不是“恰到好处”,但它们肯定正在接近目标。

参考文献

Javiera Guedes、Simone Callegari、Piero Madau 和 Lucio Mayer (2011)。在 LCDM 宇宙中形成逼真的晚期螺旋星系:Eris 模拟

模拟 天体物理学杂志 arXiv: 1103.6030v2

Kelly Oakes has a master's degree in science communication and a degree in physics, both from Imperial College London. She started this blog so she could share some amazing stories about space, astrophysics, particle physics and more with other people, and partly so she could explore those stories herself.

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