宇宙学模拟对于研究宇宙如何成为今天的形状至关重要

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天体物理学中的许多过程需要很长的时间,这使得它们的演化变得很棘手并难以研究。比如像我们的太阳这样的恒星拥有约100亿年的寿命,而星系的演变则需要数十亿年的时间。

天体物理学家处理这个问题的一个方法是通过观察各种不同的天体来比较它们在不同阶段的演变。另外,他们还可以通过观察遥远的天体来有效地窥视过去。比如如果我们看的是100亿光年外的天体,那么我们看到的就是它100亿年前的样子。

现在,研究人员首次创建了模拟,从而直接再现了110亿年前在遥远的宇宙中观察到的一些最大的星系集合的整个生命周期,相关研究报告已于6月2日发表在《Nature Astronomy》上。

宇宙学模拟对于研究宇宙如何成为今天的形状至关重要,但许多模拟通常都不符合天文学家通过望远镜观察到的情况。大多数的设计只是在统计意义上跟真实的宇宙相匹配。另一方面,受限的宇宙学模拟被设计为直接再现我们在宇宙中实际观察到的结构。然而大多数现有的这类模拟都被应用于我们的本地宇宙,也就是靠近地球的地方,但从未用于观测遥远的宇宙。

由卡夫里宇宙物理与数学研究所项目研究员、这项新研究的论文第一作者Metin Ata和项目助理教授Khee-Gan Lee领导的一个研究小组对大质量星系原生星系团等遥远的结构表现出兴趣,。据悉,这些星系团是当今星系团在能在自身引力下结成团块之前的祖先。他们发现目前对遥远的原生星系团的研究有时过于简单,这意味着它们是用简单的模型而不是模拟完成的。

Ata表示:“我们想尝试开发一个真正的遥远宇宙的完整模拟,以此来看看结构是如何开始和如何结束的。”

他们的成果是COSTCO(COsmos场的约束性模拟)。

Li指出,开发这个模拟很像建造一台时间机器。因为来自遥远的宇宙的光直到现在才抵达地球,望远镜今天观察到的星系是过去的一个快照。他说道:“这就像找到一张你祖父的黑白老照片,然后创建一个他生活的视频。”

在这个意义上,研究人员拍摄了宇宙中“年轻”的祖辈星系的快照,然后将它们的年龄快进以研究星系团将如何形成。

研究人员使用的星系的光线经过110亿光年的距离到达我们这里。

最具挑战性的是将大尺度环境考虑在内。

“这是一个对这些结构的命运非常重要的东西,无论它们是孤立的还是跟一个更大的结构相关联。如果你不把环境考虑在内,那么你会得到完全不同的答案,”Ata说道,“我们能一致地考虑到大规模环境,因为我们有一个完整的模拟,这就是为什么我们的预测更加稳定。”

研究人员创建这些模拟的另一个重要原因是测试宇宙学的标准模型,该模型被用来描述宇宙的物理学。通过预测特定空间内结构的最终质量和最终分布,研究人员可以揭开我们目前对宇宙的理解中以前未被发现的差异。

通过利用他们的模拟,研究人员能找到三个已经公布的星系原生簇的证据并对一个结构不看好。除此之外,他们还能确定另外五个在其模拟中持续形成的结构。这包括Hyperion原超级星系团,这是目前已知的最大和最早的原超级星系团,其质量是我们银河系的5000倍,研究人员发现它将坍缩成一个3亿光年的大型灯丝。

他们的工作已经被应用于其他项目–包括研究星系的宇宙学环境和遥远类星体的吸收线等等。

据悉,他们的研究细节已于当地时间6月2日发表在《Nature Astronomy》上。

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