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流体动力学模拟可视化星系的大尺度结构

发布时间:2018-05-14

在IllustrisTNG项目的最大模拟中通过宇宙大型结构进行薄片化。显示的是重子密度场的投影,其中图像亮度指示投影质量密度和色调可视化平均预计气体温度。展示区域从左至右延伸约12亿光年。这里显示的基础计算TNG300是目前最大的星系形成的磁流体动力学模拟,其中包含300多亿个分辨率元素。 ©IllustrisTNG合作

海德堡,Garching和美国的天体物理学家展示了迄今为止最大和最详细的计算星系的形成和演化。在他们的“IllustrisTNG”项目中,研究人员首次使用流体动力学模拟来观测大型星系结构。他们还发现大型星系内的中心黑洞阻碍恒星形成。他们获得了关于星系等级结构的重要见解。他们的研究结果表明,小型系统应该在数十亿年内融入更大的物体。

像我们的银河这样的星系是恒星的岛屿,通常包含数千亿个太阳,并且至少有相当数量的行星。气体和尘埃云渗入恒星之间的空间,并且不断被超新星爆炸和活跃星系核中超大质量黑洞的辐射爆发激起。然而,大部分问题都包含在一个令人困惑的不可见的组成部分中,这个暗物质将星系组合在一起成为某种宇宙胶。在更大的尺度上,星系被观察到在一个精致的“宇宙网”中排列。这些复杂的实体及其错综复杂的空间安排是如何由大爆炸遗留下来的热物质和辐射汤形成的,这是天体物理学中最难解决的问题之一。


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海德堡理论研究所(HITS)的科学家们与海德堡马克斯普朗克天文学研究所和加兴天体物理学研究所以及哈佛大学和麻省理工学院的科学家组成的国际研究小组一起,决定性的一步。基于先前“Illustris”仿真的成功,他们开发了一种新的用于宇宙演化的模拟模型,它以比以前的计算更完整和准确的方式解释了星系形成的物理过程。利用先进的移动网格代码AREPO是专门为此目的而设计的团队,研究人员可以高效地利用世界上最强大的超级计算机之一 - 斯图加特高性能计算中心的“Hazel-Hen”机器,迄今为止最成功的模拟宇宙结构的出现。超过24000个核心在数十亿光年的宇宙代表性区域计算数以百万计的星系,形成数个月的星系。这是第一次,物理过程如宇宙磁场的放大,不同类型超新星爆炸中镁和铕等重元素的产生,或者黑洞中气体驱逐引起的动能注入模拟。德国高斯超级计算中心授予的计算时间允许团队实现两个主要模拟,TNG100和TNG300,它们重新定义了该领域的最新技术水平。

这个“IllustrisTNG”项目(下一代Illustris)的第一批成果展示了令人兴奋的新理论预测的广泛性,让参与的科学家们兴奋不已。在几个月内,他们已经撰写了十几篇科学论文并提交出版。其中,最早的三个基础研究刚刚同时出现在MNRAS杂志上。

以100个物理千行数(沿观察方向)的薄片绘制气体速度,以TNG100计算中第二大质量星系团为中心。如果图像是黑色的,气体很难移动,而白色区域的速度超过1000公里/秒。图像将宇宙丝中的气体运动与由深引力势阱引起的运动火球和位于其中心的超大质量黑洞进行对比。 ©IllustrisTNG合作

其中一件作品涉及预测的大型星系结构,由于它们现在有足够大的体积,可以首次对这种类型的流体动力学模拟进行研究。它们形成了一个由气体和恒星组成的宇宙网(图1),并在其交点处具有特征星系,它不仅与实际星系的形状和大小非常匹配,而且还重现了观测到的空间聚类模式,如最新的大数据星系调查,当这些星系根据颜色和恒星质量被分成不同的子样本时,这种匹配甚至会持续存在。此外,模拟可以精确预测星系跟踪的宇宙网如何随时间演化,以及它如何与由暗物质构成的宇宙结构的基础骨干相关。 “特别令人着迷的是,我们可以准确预测超大质量黑洞对大规模暗物质分布的影响。”主要研究者Volker Springel教授(HITS)说。 “利用IllustrisTNG获得的见解对于未来宇宙学数据的可靠解释至关重要,这些数据旨在对我们的宇宙学模型进行精确测试。”


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迪伦尼尔森博士(MPA)在对该项目的进一步研究中,黑洞对大型星系特性的重要影响已得到了令人印象深刻的证明。大型星系被中央黑洞阻止形成更多恒星(图2),使它们的光谱颜色迅速从蓝色变为红色。 “我们的椭圆星系变得太大而没有黑洞,因为普通超新星的能量不足以遏制它们的恒星形成”,纳尔逊博士解释说。 “尽管这些重力陷阱的尺寸相对较小,但IllustrisTNG表明它们实际上可以影响巨大比例的恒星系统。”

冲击波强度的可视化周围的暗物质结构(橙色/白色)周围的宇宙气体(蓝色)。类似于爆音,这些冲击波中的气体在撞击宇宙丝和星系时会加速冲击。 ©IllustrisTNG合作

对于星系的等级组装过程也获得了新的发现。理论长期以来一直认为,第一个小星系应该形成,然后在数十亿年的时间里结合到更大的物体上,并由无情的引力吸引到一起。在路上发生的许多星系碰撞中,星系经常被潮汐力破坏。他们的恒星最终在新形成的大型星系周围形成宽轨道,这应该赋予它们一个微弱的背景辉光(图3)。由于它们的低表面亮度,预测的苍白恒星光晕很难被检测到,但它们直接成为星系宇宙形成历史的见证。在对IllustrisTNG项目的进一步研究中,Annalisa Pillepich博士(MPIA)对这些恒星在模拟中的分布进行了全面测量。 “我们对星系周围微弱的恒星光的预测现在可以被观察者系统地验证,”Pillepich博士指出,“这对分层星系形成的理论模型产生了一个关键测试。”

现在很明显TNG的结果是现代超级计算机巨大科学可能性的典型范例。因此,斯图加特高性能计算中心(HLRS)去年10月授予代表整个研究团队的Volker Springel的“Golden Spike”装饰。 TNG模拟产生了超过500TB的模拟数据,为进一步的研究提供了丰富的资产。完整的分析将使参与的科学家们在未来很长时间内保持繁忙,并承诺将就多种天体物理过程提供许多令人振奋的成果(图4)。

出版物:

V。 Springel,R. Pakmor,A. Pillepich,R. Weinberger,D. Nelson,L. Hernquist,M. Vogelsberger,S. Genel,P. Torrey,F. Marinacci,J. Naiman
“IllustrisTNG模拟的第一个结果:物质和星系团簇”,皇家天文学会月报,2018年2月1日D. Nelson,A。 Pillepich,V. Springel,R. Weinberger,L. Hernquist,R. Pakmor,S. Genel,P. Torrey,M. Vogelsberger,G. Kauffmann,F. Marinacci,J. Naiman
“来自IllustrisTNG模拟的首次结果:星系颜色双峰性,”皇家天文学会月报,2018年2月1日A. Pillepich,D. Nelson,L. Hernquist,V. Springel,R. Pakmor,P 。Torrey,R. Weinberger,S. Genel,J. Naiman,F. Marinacci,M. Vogelsberger
“IllustrisTNG模拟的首次结果:星系团和星团的恒星质量含量”,皇家天文学会月报,2018年2月1日

来源:HanneloreHämmerle博士,马克斯普朗克天体物理研究所

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