⑴ 超震撼:整個「宇宙網」的宇宙模擬!並首次確定星系之間的空間
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加州大學聖克魯斯分校的天文學家和計算機科學家團隊,受到亮黃色黏菌生長模式的啟發,採用了一種計算方法,可以追蹤連接整個宇宙星系的宇宙網細絲。其研究成果發表在《天體物理學》期刊上,首次確定了星系之間空間中的擴散氣體,與宇宙學理論預測的宇宙網大尺度結構之間的聯系。
根據主流理論,隨著宇宙在宇宙大爆炸後的演化,物質分布在由巨大空洞隔開的相互連接細絲組成的網狀網路中。充滿恆星和行星的發光星系,形成於物質最集中的宇宙網細絲的交叉點和最密集區域。延伸在兩個星系之間的擴散氫氣細絲基本上是看不見的,盡管天文學家已經設法瞥見了其中一部分。
所有這些似乎都與一種名為多頭絨泡菌(Physarum Polycephalum)的低等黏菌相似,這種黴菌通常生長在森林地面上腐爛的原木和落葉上,有時會在草坪上形成海綿狀的黃色團塊。但是,頭絨泡菌具有創造最佳分配網路和解決計算困難的空間組織問題的能力,這讓科學家們感到驚訝的 歷史 由來已久。
在一個著名的實驗中,一種黏菌復制了日本鐵路系統的布局,將代表東京周圍城市的食物來源連接起來。加州大學聖克魯斯分校天文學和天體物理學博士後研究員喬·伯切特一直在尋找一種大規模可視化宇宙網的方法,但當計算機博士後研究員奧斯卡·埃萊克建議使用基於頭絨泡菌的演算法時,他對此表示懷疑。畢竟,完全不同的力量塑造了宇宙網和黏菌的生長。
但一直對大自然圖案著迷的埃萊克,對柏林藝術家薩奇·詹森(Sage Jenson)的絨泡菌「生物軟化」印象深刻。從Jenson使用二維頭絨泡菌模型(最初由Jeff Jones於2010年開發)開始,Elek和他的朋友(程序員Jan Ivanecky))將其擴展到三維,並進行了額外的修改,創建了一種新演算法,他們稱之為蒙特卡洛Physarum Machine。伯切特向Elek提供了來自斯隆數字巡天(SDSS)的37000個星系的數據集。
當將新演算法應用到數據集上時,結果是一個相當令人信服的宇宙網。研究人員表示:那是一種尤里卡時刻,開始相信黏菌模型是我們前進的方向,這在某種程度上是巧合的,但並不完全如此。黏菌創造了一個優化的運輸網路,找到了連接食物來源的最有效路徑。在宇宙網路中,結構的增長產生了某種意義上也是最優的網路,潛在的過程不同,但它們產生的數學結構相似,這個模型與最初的靈感相比有幾層抽象。
當然,模型結果與預期宇宙網結構有很強的視覺相似性並不能證明什麼,研究人員在繼續完善該模型的同時,進行了各種測試來驗證該模型。到目前為止,對宇宙結構演化的計算機模擬,已經出現了對宇宙網的最佳表示,顯示了暗物質在大范圍內的分布,包括形成星系的大量暗物質光暈和連接它們的細絲。暗物質是看不見的,但它約占宇宙中物質的75%,引力使普通物質遵循暗物質的分布。
伯切特團隊使用來自Bolshoi-Planck宇宙學模擬的數據,這是由加州大學聖克魯斯分校物理學榮休教授喬爾·普里馬克等人開發來測試蒙特卡洛絨毛膜機的。在從模擬中提取出暗物質光暈的目錄後,運行演算法來重建連接它們的絲狀網。當將演算法的結果與最初模擬結果進行比較時,發現了緊密的相關性。黏菌模型基本上復制了暗物質模擬中的絲狀網,而研究人員能夠使用模擬來微調模型參數。
從45萬個暗物質暈開始,可以幾乎完美地匹配宇宙模擬中的密度場。還將觀測到的SDSS星系屬性與粘菌模型預測的星際介質氣體密度進行了比較。星系中的恆星形成活動應該與其星系環境的密度相關,看到預期的相關性,研究人員鬆了一口氣。現在,研究小組有了一個連接37000個SDSS星系的宇宙網預測結構,還可以用天文觀測來測試這個結構。為此,使用了來自哈勃太空望遠鏡的宇宙起源光譜儀數據。
星際氣體在通過它的光線光譜中留下了獨特吸收信號,數百個遙遠類星體的光穿過了SDSS星系占據的空間體積。多虧了黏菌,讓我們知道宇宙網的細絲應該在哪裡,可以去哈勃光譜存檔,尋找探測那個空間的類星體,尋找氣體的特徵。在我模型中,無論我們在哪裡看到細絲,哈勃光譜都會顯示一個氣體信號,而且信號朝著燈絲中間的方向變得更強,那裡的氣體應該更稠密,然而,在最密集的地區,信號減弱了。
這也符合預期,因為這些區域的氣體加熱會電離氫氣,剝離電子,消除吸收信號。現在,科學家第一次可以量化星際介質的密度,從宇宙網細絲遙遠外圍到星系團的炎熱、密集內部的星際介質密度。這些結果不僅證實了宇宙學模型預測的宇宙網結構,而且通過將其與形成星系的氣庫聯系起來,也給了我們一種提高對星系演化理解的方法。而這種創造性的技術及其意想不到的成功,突顯了跨學科合作的價值,在科學問題上帶來了完全不同的視角和專業知識。
博科園 研究/來自:加州大學聖克魯斯分校
參考期刊《天體物理學》
DOI: 10.3847/2041-8213/ab700c
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⑵ 科學家繪制出宇宙中星系之間隱藏的橋梁圖 開啟 宇宙學研究新篇章
科學家們首次繪制了我們最近的星系之間以前隱藏的暗物質橋梁網路,這是關於暗物質的全新突破。
所謂暗物質,是因為科學家們無法以任何意義的方式觀察或者與之互動。
但是天體物理學家認為暗物質提供了宇宙之網的主幹--一個由星系和氣體相互連接的絲狀物組成的難以想像的大網,延伸到整個宇宙。
因為有了這種觀點,所以才有了近日由國際科學家小組在繪制宇宙網方面取得了突破性進展。
宇宙網通過支配星系和其他恆星物質的運動對宇宙施加影響。
但是,由於暗物質不能被我們目前掌握的任何手段所探測到,要找到這種物質在整個宇宙中的分布並不容易。
科學家們不得不轉而依靠暗物質對星系產生的引力效應來探尋其中的蛛絲馬跡。
專家表示,具有諷刺意味的是,研究更遠處的暗物質的分布更容易,因為它反映了非常遙遠的過去,而過去的復雜程度要低很多。
隨著時間的推移,隨著宇宙大尺度結構的增長,宇宙的復雜性也在增加,所以在局部對暗物質進行測量本來就比較困難。
過去繪制宇宙網的嘗試主要集中在這些結構是如何在數十億年中發展起來的。
但是這類模擬需要大量的計算機能力,而且結果不夠詳細,無法縮小本地宇宙的范圍。
本土宇宙是一個直徑約為10億光年的空間區域。
宇宙的橫截面相對較小,可以觀察到大部分細節。
在新的研究中,科學家們採用機器建立一個他們稱之為Illustris-TNG的星系模擬模型。
研究人員表示,當給定某些信息時,該模型基本上可以根據它以前看過的東西來填補空白。該地圖並不完全適合模擬數據,但我們仍然可以重建非常詳細的結構。
研究人員發現,除了星系的分布之外,還包括星系的運動極大地提高了地圖的質量,使研究者能夠看到更多細節。
然後,該模型被應用於大約17000個星系的目錄,這些星系都在銀河系的200兆焦距內。
由此產生的地圖揭示了本地宇宙的結構,包括許多本地空間區域。
研究人員補充道:我們可以研究暗物質的分布與其他發射數據的關系,這將有助於我們了解暗物質的性質。
而且我們可以直接研究這些絲狀結構,這些隱藏在星系之間的橋梁。因為暗物質主導著宇宙的動態,它基本上決定了我們的命運。
因此,我們可以要求計算機演化出數十億年的地圖,看看本地宇宙會發生什麼。
而且我們可以將模型向後演化,以了解我們的宇宙領域的 歷史 。
⑶ 一切都有聯系,第一張「宇宙圖」出現了,這是連接星系之間的道路
這是天文學家模擬的一個巨大的星系團,從假色彩圖中我們可以看到一些細絲結構,在這些細絲匯合的地方就是一個星系。
星系網的細絲結構以前從未被直接觀測過(上圖為模擬圖),因為它們是宇宙中最微弱的結構之一,很容易被周圍星系的光輝所遮蔽。但是現在,在10月3日發表在雜志上的一項研究中,研究人員拼湊出了第一張宇宙細絲聚集在遙遠星系團上的照片。
這張照片中顯示的藍色氫結構長絲在距離地球約120億光年的古老星系群中縱橫交錯,這意味著這些星系誕生於大爆炸之後的10億年左右。這些結構延伸了300多萬光年,證實了它們其實是宇宙中最龐大的結構之一。
看看宇宙網。這張地圖顯示的是從圖像頂部到底部的氣體細絲(藍色),在120億光年之外的一個古老星系團中連接星系。嵌入在這些細絲中的白點是活躍的恆星形成的星系,這些星系之間可以聯系。
正如這項新的研究所指出的,構成宇宙網的細絲的氫是如此的微弱,以至於幾乎無法與空的天空區分開來。那麼,研究人員是如何從黑暗中引導這些特徵的呢?
研究人員利用歐洲南方天文台甚大望遠鏡上的多單元光譜探測儀,放大了位於寶瓶座的一組古老星系,這些星系以極其龐大和極其古老而聞名。新生恆星和黑洞吸積盤發出的光微弱地照亮了在這些星系中和星系之間旋轉的氫結構,這使得研究人員能夠繪制出宇宙網在那裡的細絲的模糊輪廓。
觀測結果揭示了兩條平行的氫結構,連接著數以百萬計的星系點。按照宇宙學模型,氣體的細絲似乎直接為網格上最活躍的恆星星系提供能源(也就是氫)。
⑷ 兩個星系團之間搭了一千萬光年長的「橋」
「宇宙網路」(Cosmic Web),簡單來說,就是宇宙里星系的分布結構,這些星系之間由暗物質或其他的物質或能量形成的「絲」連結,最終構成一個錯綜復雜的龐大網路結構。
最近,天文學家利用荷蘭的LOFAR射電望遠鏡,在兩個相互慢速碰撞的星系團A0399和A0401之間,觀測到長達1000萬光年的無線電波放射區域。該現象引起了科學們強烈的興趣,因為此前已有人發現這兩個星系團中有「網絲」的存在,而無線電放射的觀測直接證明了這一點,並且由此可以更好地研究被「網絲」相連的兩個星系團和宇宙網路結構。
A0399和A0401是在觀測到的星系團中兩個為數不多的帶有強烈磁場的星系團,在異常強烈的磁場中,電子運動極快(加速度極大),放射同步電磁波(Synchrotron radiation),也就是他們所觀測到的無線電放射。
現在,天文學家們需要了解的是,這種現象在整個客觀宇宙中是否是一種普遍現象,還是說這僅僅是一種特例。
因此,下一個階段的研究將是利用精度更高的射電望遠鏡SKA(Square Kilometres Array,電波接收面積約1平方公里,靈敏度將是其他射電望遠鏡50倍,預計於2024-2030分兩階段建成,造價約為18億歐元),更深入地研究宇宙網路的結構和其中的磁場分布。