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Eris星系創世紀,第一章…

依照星系形成和星系演化的物理,在功能強大的超級電腦上,經過九個月的運算後,一個和我們的銀河系幾乎一樣,但只存在於模擬世界中的美麗螺旋星系:Eris – 終於誕生(這個名字與矮行星之一的鬩神星的英文名一樣,意思是「愛吵架」)。整個研究計畫需要的時間,按「處理器工作小時」計算,等於140萬小時,也就是兩輩子那麼久,根據這批跨國天文學者團隊的研究所得,這項最新成果可望解決一部分長期以來眾所矚目的「宇宙結構模型到底應該如何」的問題和挑戰。

右圖圖片說明:上下兩相對照比較Eris這個由模擬得來的星系(上圖)和銀河系實際觀測結果(下圖)。圖片來源:S. Callegari, J. Guedes和 2MASS(全名:Two Micron All-Sky Survey – 「2微米全天巡天計劃」).和銀河系一樣,Eris是個可愛的棒旋星系,也就是有明亮的恆星在核心中央部位湧出、聚集成一根「短棒」的螺旋星系,在模擬模型中,無論形狀上的特性,亮度分佈,核球和銀盤之間呈現的比例、所含恆星內容,研究人員都盡量詳細的模擬,好教它和真實銀河系呈現出一模一樣,為了確認它和實際觀測所得一致,研究團隊且再三將銀河系用各種不同的方式拆解分析;而藉由這樣的研究我們自己的銀河系,還有其他與銀河系相類似的星系,最後,模擬出的成果和真實的銀河系之間相當維妙維肖,無論從哪個角度看,結果都是符合。

一共有號稱「七姐妹」的七臺超級電腦參與了Eris計畫,其中光是NASA最先進的超級電腦Pleiades(昴宿星團)就投入了140萬個「處理器小時」。不止NASA,在加州Santa Cruz大學和瑞士國家超級電腦中心也提供超級電腦共襄盛舉。為了模擬出超高分辨率的單一星系,耗費了非常多寶貴的超級電腦的時間才能完成,其實,風險不小。

過去20多年來,創造出一個「類銀河系星系如何演化」的模型,一直是研究員力有未逮的挑戰,Eris並非首度創舉。先前人們早就想過對一個銀河系這樣大質量盤狀星系加以計算,以模擬方式取得結果,類似努力最後宣告失敗,因為結果呈現出一刻太巨大且與銀盤不成比例的中央核球。

Eris計畫的成功,和它能合乎實際狀況的模擬出恆星如何形成很有關聯,在本次計劃取得新突破後,肯定了描述宇宙結構演變乃是由暗物質和重力互相作用驅動的「冷暗物質」理論,可望繼續佔有它原來的主導地位。何謂「冷」「暗」物質?「冷」,因為它的粒子運動速度緩慢,「暗」,則因為它是看不見的。初始時,重力對宇宙大霹靂後微小的波動起作用,開始將一些小塊的暗物質聚集成團,後來藉由一層層階層合併,暗物質團塊也越長越大。構成恆星和行星的這些普通物質,其實佔宇宙物質總量還不到20%,而當普通物質落入大塊暗物質所形成的「重力井」中的時候,就在暗物質暈的核心裡長出了星系。

根據該研究論文主要作者Madau表示,「在真正的星系裡,其實恆星形成是以群體的方式發生,要將這個部份以宇宙結構模擬方式加以呈現,相當的困難。Eris計畫是所有模擬中,第一個能夠解析出恆星形成時特有的高密度氣雲,而且模擬結果正是一個「類銀河系」星系應有的「小核球+大銀盤」。除此之外,它的模擬中還能表現出冷暗物質的存在,暗物質,為星系的形成提供了框架,因此能夠產生很實際逼真的一個以盤型為主的星系。」

誕生一個像Eris這樣的計畫並非易事。研究人員首先由低分辨率的暗物質開始著手,模擬它演化成暗物質暈,在模型中,這些暈所扮演的角色是,它們後來將成為孕育出今日星系的搖籃,接下來又選定一塊質量剛好,且合併歷史也和銀河系差不多的暗物質暈,再次將它「倒帶」到初始階段,在本次研究中,就是藉由專注集中在他們所選定的那一小塊區域,增大其氣體粒子數量,以提高它的模擬解析度,高解析度,意味著對大量的粒子互動能更詳細的加以追蹤。

至於模擬結果,則是讓6千萬顆分別代表了暗物質和氣體的粒子去自行相互作用所得。像這樣的一套程式碼,需要參考包括重力、流體力學、恆星形成和超新星爆炸等多領域的物理學,以套入了宇宙結構的模擬而言,Eris計畫取得了現階段分辨率最高的一次結果。

Eris和它的諸多前輩們不同之處當然在於它能「看到」高分辨率/高密度氣體雲。更高解析度為恆星如何形成帶來一份更精確的標準「配方」。在低分辨率模擬中,氣體密度會在較大的區域中被平均、稀釋掉,但是恆星形成的密度閾值又必需設為極低,結果造成模擬中,形成恆星的氣體往往瀰漫整個星系。在Eris模擬系統的設計中,它在設定恆星形成閾值時,能允許恆星單單只在高密度氣體地區發生,於是也帶來更逼真的恆星分佈情境,這是個很重要的考慮因素,因為超新星爆炸只發生在高密度氣體雲地區;並且超新星的氣體噴流必須是從星系的裡層產生的,若否,則它將會形成更多恆星、製造出更大、更凸起的核球;要將這些因素都納入考慮中,唯有能提供高分辨率的模型才能做到。研究人員表示,「在我們的這個模擬中,呈現出恆星以星群的方式形成以及來自超新星的能量噴發,這兩個因素正是它和其他模型之間最大的差別。」

看來活靈活現的Eris — 好像真的有光?!(Lauren 譯)

Eris模擬結果圖:藍色區域是最近形成的恆星,顏色越偏紅,和年老恆星的關聯度越高。旋臂是典型的恆星形成區,中央隆起的核球,基本上代表著「紅過頭,已死亡」的恆星。在Eris裡所顯示出的星系中的恆星,和我們觀測所見:一模一樣。圖片來源:J. Guedes 和 P. Madau

資料來源:中研院天文網

轉載自台北天文館之網路天文網網站

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