模拟宇宙：从一败涂地，到惟妙惟肖，科学家们是如何做到的？_星系

本世纪初，一群程序员兼宇宙学家开始着手在一部超级计算机上模拟宇宙140亿年的历史。他们的目标是创建一个宇宙模型，一个计算机代码中的宇宙学学习指南，这个模型只需要运行数个月，而不是亿万年，从而可以用作研究真实宇宙的实验室。

可惜的是，当时的模拟一败涂地。就像培养皿中的突变细胞一样，模拟的星系全都出了错。它们变成了过度闪耀的亮斑，而不是平缓旋转的螺旋。当研究人员在星系中心编入超大质量黑洞时，那些黑洞要么把星系变成了“甜甜圈”，要么像逡巡的怪物一样，从星系中心漂移出去。

宇宙模型IllustrisTNG当中一个10 Mpc区域的磁场演变（Mpc：百万秒差距，天体间距离单位，1Mpc约为326万光年）。低磁能区域呈现出蓝色和紫色，橙色和白色则对应暗物质晕和星系内的高磁能区域。

但近来，科学家似乎已经开始掌握创造宇宙的技艺。他们把物理定律应用于一种（模拟出来的）光滑热流体物质——这样的物质可见于婴儿时期的宇宙——然后，观察流体演变为我们如今在宇宙中看到的那些螺旋星系和星系团。

质的飞跃：宇宙模拟逼真度前所未有

卡内基梅隆大学的物理学教授蒂齐亚纳·迪马特奥参与开发了MassiveBlack-II和BlueTides宇宙模拟。“我当时的反应是，我简直不敢相信！”卡内基梅隆大学的宇宙学家蒂齐亚纳·迪马特奥（Tiziana Di Matteo）说。她指的是自己在2015年看到BlueTides模型首次运行生成了逼真的螺旋星系。BlueTides是几个正在持续进行的模拟项目一。“你会大吃一惊，因为那只是一堆代码，不是吗？”

随着宇宙模拟的逼真度出现质的飞跃，研究人员现在已经把这些模型用作实验室。每次运行后，他们都可以查看自己的代码，弄清模拟宇宙中的某些特征如何出现、为何出现，而且，还有可能解释真实宇宙中发生的事情。这些模型为科学家解释宇宙中84%的不可见物质提供了启发，这便是科学家长久以来寻找的似乎充斥在星系之中的“暗物质”。此前，科学家用天文望远镜观测真实星系时，得到了一些令人困惑的结果，继而引发了对标准暗物质假说的质疑，而现在，最先进的宇宙模拟正在对那些结果做出解释。

此外，有了这些模型，包括迪马特奥在内的研究人员能够以虚拟方式访问位于星系中心的超大质量黑洞。对我们来说，这些在宇宙初期形成的黑洞仍然是一个谜。“现在，我们正面临一个令人兴奋的时机，我们可以真正利用这些模型，做出全新的预测。”迪马特奥说道。

那些年，宇宙模拟走过的弯路

以往，大多数宇宙模型甚至都没有去尝试生成逼真的星系，它们仅仅对暗物质进行了建模。按照标准假说，暗物质只存在引力上的相互作用，这使得暗物质的编码工作比我们能够看到的复杂原子物质要容易得多。

通过这种仅对暗物质建模的宇宙模型，科学家发现，暗物质的圆形“晕”会自发形成适当的大小和形状，而可见的星系可能就嵌在里面。德国海德堡大学程序员兼宇宙学家沃尔克·斯普林格尔（Volker Springel）说，“这些计算让我们确信，尽管如今的标准宇宙模型中存在两个奇怪的组成部分——暗物质和暗能量——但对于宇宙中正在发生的事情，它其实是一种很有潜力的预测工具。”

之后，研究人员开始在代码中添加可见物质，这极大地增加了工作难度。与暗物质晕不同，随着宇宙的成形，相互作用的原子进行了复杂的演化，产生了像恒星和超新星这样的奇妙天体。程序员无法把完整的物理定律编入模型中，他们不得不进行简化和省略。在这个问题上，不同的团队采用了不同的解决方法，自行挑选他们认为重要的天体物理学定律，并编入模型。

然后，在2012年，德国莱布尼茨天体物理研究所的塞西莉亚·史坎纳皮科（Cecilia Scannapieco）所做的一项研究给这个领域敲响了警钟。“她说服一帮人用他们各自的代码模拟同一个星系。”加拿大麦克马斯特大学的詹姆斯·沃兹利（James Wadsley）说道，他曾参与上述研究。“所有人都搞错了。”他们的星系看起来都不一样，而且“每个人都生成了太多的恒星。”

Henize 70是一个由热膨胀气体组成、横越大约300光年的超级气泡，它位于银河系卫星星系之一大麦哲伦星系的内部。

沃兹利说，史坎纳皮科的研究既“令人尴尬”，又非常鼓舞人心：“那时候人们才更加确信，意识到他们需要黑洞和超新星来让模型更好地运行”，从而生成更加逼真的星系。他和其他研究人员解释说，在真实的星系中，恒星的生成数量是在减少的。随着星系的燃料越来越少，它们的光线燃烧殆尽，而且没有新的恒星提供补充。但在模型中，处在生命末期的星系“仍在疯狂地生成恒星”，因为气体没有被剔除出去。

两个重要升级

最新一代的模拟已经解决了该问题，这是通过两个重要升级实现的，第一个是在螺旋星系的中心增加了超大质量黑洞。作为时空结构中极度致密的无底洞（有些黑洞的质量超过了10亿颗太阳），黑洞充当了消耗燃料的发动机，它们胡乱地将周围的恒星、气体和尘埃吞噬一空，并以光剑一般的光束向外喷射碎片，这种现象称为黑洞喷流。如今螺旋星系生成的恒星数量少于以往，超大质量黑洞便是主要原因。

另一个新的关键组成部分是超新星和“超级气泡”——这些气泡源自数百个超新星快速连续爆发形成的联合冲击波。在一个超级气泡中，“一个小型星系可能在数百万年的时间里分崩离析”，沃兹利说道。他在2015年把超级气泡编入了一个名为GASOLINE2的模型。“它们是非常疯狂的极端天体。”它们之所以会出现，是因为恒星倾向于成群地诞生和毁灭，随着庞大的气体星云发生坍缩，成千上万的恒星相继成形；之后，经过大约100万年，它们又一个个地发生超新星爆发。超级气泡能将整个区域乃至整个小型星系中的气体和尘埃清除一空，这能抑制恒星的生成，并在恒星再次坍缩前，搅动它喷射出来的物质。把超级气泡加入模型之后，模拟出来的小型星系就变得更加逼真了。

吉利安·贝罗瓦里是纽约皇后社区学院和美国自然历史博物馆的宇宙学家，她把黑洞代码编入了GASOLINE模型当中。

吉利安·贝罗瓦里（Jillian Bellovary）是纽约皇后社区学院和美国自然历史博物馆的宇宙学家，她编写了第一批黑洞代码，并在2008年把它们添加到GASOLINE模型中。她省略或简化了大量物理定律，并编写出一个方程式，根据气体的密度和温度来确定黑洞应该消耗多少气体，此外，再通过第二个方程式来表明黑洞要释放出多少能量。后来，其他人在贝罗瓦里的研究基础上进一步改进，最重要的成果是弄清楚了如何让黑洞固定在模拟星系的中心位置，以及如何阻止它们喷射出太多气体，避免让星系变成“甜甜圈”。

同时为上万个星系模拟所有这些物理定律，这需要巨大的计算能力和聪明才智。现代超级计算机基本上已经把可以封装在单块芯片上的晶体管数量做到了极致，它们可以让多达10万个处理器核心进行并行运算。程序员必须弄清楚如何分配这些处理器核心，这并非易事，尤其考虑到模拟宇宙中的某些部位正在进行快速和复杂的演变，而另一些部位却没什么动静，然后条件可能在瞬时之间发生变化。研究人员已经找到了应对这种大范围变动的方法，即根据需求，利用算法对计算机资源进行自适应分配。

此外，研究人员还克服了一系列数理逻辑上的挑战。例如，贝罗瓦里说，“如果你有两个吞噬相同气体的黑洞，而它们位于超级计算机两个不同的处理器上，你如何才能不让黑洞吞噬相同的粒子？”她指出，并行处理器“必须能相互交流才行。”

最终，这些模拟表现不错，具备了用于科学研究的水平。利用BlueTides模型，迪马特奥及其同事专注于研究宇宙头6亿年的星系形成特点。在那段时期，超大质量黑洞以某种方式进入暗物质晕的中心，并帮助那些可见的气体和尘埃在自己周围形成旋转的“裙边”。而它们如何膨胀得这么快、这么大？我们不得而知。

正如BlueTides模型所展示的，一种可能性是，超大质量黑洞是宇宙在婴儿时期，其超致密区域内的庞大气体云团发生引力坍缩后自发形成的。“我们已经使用BlueTides模型来预测真实宇宙中这第一批星系和黑洞是什么样子。”迪马特奥说。在模型中，他们看到，腌黄瓜形状的原始星系和微型螺旋星系在新生的超大质量黑洞周围成形。当未来的天文望远镜（包括定于2020年发射的詹姆斯韦伯太空望远镜）对准深空、回溯星系诞生之时，观测结果将对这些被编入模型的方程式进行验证。

调整、改进和升级

在宇宙模拟领域，加州理工学院的菲尔·霍普金斯（Phil Hopkins）教授是另一位领军人物。他的FIRE模型以高分辨率模拟了宇宙中相对较小的一部分。霍普金斯“以其他很多人不曾做到的方式提高了分辨率。”沃兹利说，“他模拟的星系看上去非常逼真。”霍普金斯和他的团队生成了一些最为逼真的小型星系，比如绕着银河系运行的卫星星系“矮星系”。

这些模糊的小型星系一直令科学家感到不解。例如，“卫星缺失问题”就是指，根据冷暗物质标准模型，应该有数百个卫星星系绕着每个螺旋星系旋转。但是，银河系只有数十个这样的卫星星系。这促使一些物理学家开始考虑创建更复杂的暗物质模型。然而，当霍普金斯及其同事把真实的超级气泡编入他们的模型后，他们看到，很多过剩的卫星星系消失不见了。而且，霍普金斯还发现了另外两个问题的潜在解决方案，即“峰-核“问题和“大到不能倒”问题，它们曾经对冷暗物质范式构成困扰。

利用经过升级的模型，沃兹利、迪马特奥和其他人也为暗物质确实存在的观点提供了支持。可以说，有关暗物质挥之不去的最大疑问，是星系可见部分之间的奇怪关系。也就是说，恒星围绕星系运行的速度，跟它们轨道上可见物质的数量密切相关——即便恒星的运行同样受到暗物质晕引力的驱动。有太多的暗物质会加速恒星，以至于你不会认为恒星的运动与可见物质的数量有很大关系。要让这种关系能够在暗物质框架内成立，星系中暗物质和可见物质的数量必须经过微调，以使它们彼此紧密相关，同时还要让星系旋转速度与其中任意一个产生关联。

另一种名为“修正牛顿引力理论”（MOND）的理论则认为，暗物质根本不存在；可见物质在星系外围区域产生的引力超出预期。通过对牛顿著名的万有引力定律进行微调，MOND能够广泛地匹配天文学家观测到的星系旋转速度（不过，对于其他一些被认为是由暗物质造成的现象，MOND就无法解释了）。

这个微调问题在2016年似乎变得尖锐了。当时，凯斯西储大学宇宙学家斯特西·麦高（Stacy McGaugh）及其合作者证明了，在一系列真实星系中，恒星旋转速度与可见物质之间有着很强的关联。不过，麦高的论文很快在宇宙学界遭遇了三重反驳。三支研究团队——一支由沃兹利率领，一支由迪马特奥领衔，还有一支的负责人是维多利亚大学的胡里奥·纳瓦罗（Julio Navarro）——发布了模拟结果，显示在充斥暗物质的星系里，也会自然出现那样的关联。

在对冷暗物质晕做了标准假设后，研究人员模拟了跟麦高研究样本中一样的星系。这些模拟星系最终呈现出与实际观察结果非常相似的线性关系，表明暗物质确实与可见物质紧密相关。“我们的研究结果基本上符合它们之间的关联。”沃兹利说。他和自己当时的学生本·凯勒（Ben Keller）在看到麦高的论文之前便进行了模拟。“所以我们觉得，我们不用对自身的模型做出任何调整，就能重现这种关联，这本身就很能说明问题。”

海德堡大学的沃尔克·斯普林格尔教授开发了GADGET和AREPO模型代码，它们被用于最先进的IllustrisTNG模拟。

在一个目前正在运行的模型中，沃兹利生成了一个更大体积的模拟宇宙，以此来测试这种关联是否适用于麦高样本中的全部星系类型。如果确实如此，那么，冷暗物质假说似乎便能摆脱这个窘境。至于为什么星系中的暗物质和可见物质会如此紧密相关，纳瓦罗及其同事（基于模型）将之归因于星系形成期间，与引力一起发挥作用的角动量。

除了暗物质问题之外，星系模拟还在继续改进，并反映了其他的未知因素。正在进行当中的IllustrisTNG系列模拟颇受赞誉，该项目由斯普林格尔及其合作者主持，他们首次大规模地把磁场引入到模拟当中。“磁场在天文学中就像一个幽灵。”贝罗瓦里解释道。它们在星系动力学中扮演的角色鲜为人知。斯普林格尔认为，磁场可能对星系风（这是宇宙中的另一个谜团）产生影响，而模拟结果将验证这一点。

霍普金斯说，他们的一大目标是把多个模拟组合在一起，那些模拟各自研究的是不同的时间范围和空间尺度。“我们想做的就是把所有的尺度结合起来。”他说，“我们可以在各个阶段使用较小尺度的理论和观察结果，然后得出在所有尺度上需要的理论和输入值。”

研究人员表示，在模型不断得到改进的情况下，一场哲学辩论已经出现，辩论的主题就是：何时可以说“够好了”。向模型中添加太多天体物理的虚饰之物，最终会限制它们的实用性，因为这将使其中的因果关系变得更加复杂，令我们愈加难以分辨。正如沃兹利所言，“我们只是在观察一个虚假而非真实的宇宙，而且还无法理解它。”

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