科学家首次用计算机模拟出类银河星系

2011-8-31 11:01 来源: 科技日报
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  据美国物理学家组织网8月29日报道,美国加利福尼亚大学和瑞士苏黎世理论物理研究院科学家首次通过计算机模型,模拟了6000多万个暗物质和气体粒子间的相互作用,经过超级计算机9个月的漫长运算,仿照银河系生成了相同形状的旋臂星系结构。该模型解决了当前主要宇宙模型中长期存在的问题,成为该领域迄今分辨率最高的模型。

  模拟星系名为“厄里斯”(Eris),中心由明亮的古老恒星和类似银河系核心结构的其他物质组成,围绕核心的巨大旋臂构成了平面星系盘。它的外部轮廓、核球与星盘比例、星系中的主要星体等关键特征,都是科学家通过对银河类星系观测而得。

  模拟结果支持了主流认可的“冷暗物质”理论。“冷暗物质”是一类运动缓慢且无法被“看到”的物质,宇宙中的星系演化是万有引力和暗物质之间相互作用的结果。大爆炸之后,最初的物质存在微小的密度不均匀,它们之间通过万有引力作用形成了最初的暗物质团,这些暗物质团吞并了较小的原始物质后变得越来越大。宇宙中不到20%的普通物质形成了恒星和行星,它们落入大团暗物质产生的“重力井”中,就形成了中心含有一个暗物质光环的星系。

  研究小组首先从低分辨率开始,模拟最初的暗物质演化成一个类银河星系的控制中心,然后放大中心光环区,引入气体粒子并大幅度提高分辨率,再追踪粒子间的相互作用的演化。他们使用具有超高分辨率的美国国家航空航天局(NASA)昴宿星团超级计算机,仅数据处理就花了140万个小时。在“厄里斯”星系中,设置的临界密度让一些高密度区域更容易形成恒星,从而更接近真实星系的情况。

  过去20年来,科学家一直想用计算机再现这一过程,却无法生成像银河系那样的星系。论文合著者、加州大学圣克鲁兹分校天文与天体物理学教授皮耶罗·马多说:“真实的星系是由恒星聚集而成,要模拟这一过程非常困难。我们第一次用计算机模拟了高密度气体云团,这些云团是恒星的出生地,最终形成了类似银河系的旋臂星系。模型还推测了冷暗物质的情况,为星系形成提供了基本框架。”

  马多还指出,在那些高密度区域,当恒星爆发成超新星时,能量会进入星际间物质,将大量气体吹出星系。“超新星爆发在星系内造成了气体外流,否则它会形成更多恒星和一个更大的核球。恒星聚集和超新星能量喷发造成了模拟差异。”