【菜科解读】

超级计算机生成的"宇宙"的模拟显示：超大质量黑洞与它们的主星系同步成长

（神秘的地球uux.cn）据cnBeta：美国亚利桑那大学的研究人员利用超级计算能力创建了数以百万计的计算机生成的"宇宙"的模拟，以测试天体物理学的预测，而这些预测是在天文观测中无法实现的。

尽管黑洞和拉斯维加斯看起来如此不同，但它们有一个共同点：那里发生的事情会一直留在那里--这让试图了解黑洞如何、何时以及为何形成和增长的天体物理学家们感到非常沮丧。

黑洞被事件视界所包围，这是一个神秘的、不可见的层，没有任何东西可以从中逃脱，无论是物质、光还是信息。

这意味着，事件视界吞噬了关于黑洞过去的每一点证据。

亚利桑那大学斯图尔德天文台副教授、日本国家天文台（NAOJ）项目研究员彼得-贝赫罗兹说："由于这些物理事实，人们一直认为不可能测量黑洞是如何形成的。

"

Behroozi和Steward的博士生Haowen Zhang一起领导一个国际团队，使用机器学习和超级计算机来重建黑洞的生长历史，有效地剥开它们的事件视界，揭示出黑洞之外的蛛丝马迹。

对数以百万计的计算机生成的"宇宙"的模拟显示，超大质量黑洞与它们的主星系同步成长，这一论点已经被怀疑了20年，但科学家们直到现在才能够确认这种关系。

一篇包含该团队发现的论文已经发表在《皇家天文学会月刊》上。

"如果你回到宇宙中更早更早的时代，你会发现完全相同的关系是存在的，"该论文的共同作者Behroozi说。

"因此，随着星系由小变大，它的黑洞也在由小变大，与我们今天在整个宇宙的星系中看到的完全一样。

"

大多数（如果不是全部）散布在宇宙中的星系被认为在其中心有一个超大质量的黑洞。

这些黑洞的质量超过太阳的10万倍，有些黑洞的质量达到数百万甚至数十亿太阳质量。

天体物理学最令人困惑的问题之一是这些庞然大物是如何快速成长的，以及它们首先是如何形成的。

为了找到答案，Zhang、Behroozi和他们的同事创建了Trinity平台，该平台使用一种新的机器学习形式，能够在一台超级计算机上生成数百万个不同的宇宙，每个宇宙都遵守不同的物理理论，说明星系应该如何形成。

研究人员建立了一个框架，在这个框架中，计算机为超大质量黑洞如何随时间增长提出了新规则。

然后他们用这些规则来模拟虚拟宇宙中数十亿黑洞的生长，并"观察"虚拟宇宙，以测试它是否与几十年来对整个真实宇宙中的黑洞的实际观察结果一致。

在提出和拒绝了数以百万计的规则集之后，计算机最终确定了最能描述现有观测结果的规则。

"我们正试图了解星系如何形成的规则，"Behroozi说。

"简而言之，我们让Trinity猜测物理规律可能是什么，并让他们在一个模拟的宇宙中进行，看看这个宇宙的结果如何。

它看起来到底像不像真实的宇宙？"

根据研究人员的说法，这种方法对宇宙内部的其他东西同样有效，而不仅仅是星系。

该项目名称"Trinity"是指其三个主要的研究领域：星系、它们的超大质量黑洞和它们的暗物质光环--巨大的暗物质茧，如果直接测量是看不到的，但其存在对于解释各地星系的物理特性是必要的。

在之前的研究中，研究人员使用他们框架的早期版本，即UniverseMachine来模拟数以百万计的星系及其暗物质晕轮。

研究小组发现，在其暗物质光环中生长的星系遵循光环质量和星系质量之间的一种非常具体的关系。

"在我们的新工作中，我们在这种关系中加入了黑洞，"Behroozi说，"然后问黑洞如何在这些星系中生长，以重现人们对它们的所有观察。

"

"我们对黑洞质量有非常好的观察，"论文的主要作者张说。

"然而，这些在很大程度上被限制在本地宇宙。

当你看得越远，准确测量黑洞的质量和它们的宿主星系之间的关系变得越来越困难，甚至最终不可能。

由于这种不确定性，观测不能直接告诉我们这种关系在整个宇宙中是否成立。

"

Trinity不仅使天体物理学家能够避开这一限制，而且还能避开单个黑洞的事件视界信息障碍，方法是将数百万个观察到的处于不同成长阶段的黑洞的信息拼接起来。

尽管没有一个黑洞的历史可以被重建，但研究人员可以测量所有黑洞的平均生长历史。

黑洞放入模拟星系，并输入关于它们如何生长的规则，你可以把产生的宇宙与我们拥有的所有实际黑洞的观测结果进行比较。

然后可以重建宇宙中任何黑洞和星系从今天到宇宙开始时的样子。

"

模拟结果揭示了另一个令人困惑的现象。

超大质量黑洞--就像在银河系中心发现的那个--在其初生期增长最为旺盛，当时宇宙只有几十亿年的历史，只是在随后的时间里，在过去100亿年左右的时间里急剧放缓。

"我们已经知道一段时间，星系有这种奇怪的行为，它们形成新星的速度达到了一个高峰，然后随着时间的推移逐渐减少，再后来，它们完全停止了形成恒星，"Behroozi说。

"现在，我们已经能够证明黑洞也是如此：在与它们的宿主星系相同的时间增长和关闭。

这证实了数十年来关于星系中黑洞增长的假设。

"

这一结果带来了更多的问题，黑洞比它们所处的星系小得多，如果银河系按比例缩小到地球的大小，那么它的超大质量黑洞将是这句话末尾的句号大小。

要使黑洞的质量在与大星系相同的时间范围内增加一倍，需要在巨大的不同尺度上实现物质流动的同步。

黑洞如何与星系合谋以实现这种平衡尚待了解。

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天文学家重建星系演化史

## 艺术家构想图展示了巨型螺旋星系NGC1365与一个较小伴星系发生碰撞并逐渐并合的过程，这一过程激发了剧烈的恒星形成活动，并导致气体及重元素的重新分布。

天文学家运用一种新型空间考古学技术，通过分析星系气体中的化学特征，重建了NGC1365在漫长宇宙历史中的演化历程。

图片来源：MelissaWeiss／哈佛史密松天体物理中心 通过分析遥远星系的化学指纹，天文学家重建了其长达120亿年的演化历程。

这一新方法有助于揭示星系——包括银河系在内——在宇宙时间尺度上是如何形成的。

由哈佛史密松天体物理中心领衔的一支天文学家团队，首次将星系考古学方法应用于银河系以外的星系，以揭示其演化历史。

该方法通过分析空间中遗留的化学特征，重建星系的形成与演化过程。

这项研究成果发表于《自然天文学》杂志，提出了一种强大的新方法，用于重建遥远星系的演化历史。

该研究还有助于确立一个名为星系考古学的新兴研究领域。

这是我们首次在银河系以外的星系中，以如此精细的程度应用化学考古学方法。

论文第一作者、哈佛大学教授兼天体物理学中心主任丽莎凯利说，我们希望理解自身起源：银河系是如何形成的？我们今天呼吸的氧气又是如何产生的？ 利用化学指纹绘制星系地图 为开展此项研究，研究人员使用了TYPHOON巡天项目的数据，这些数据由拉斯坎帕纳斯天文台的伊雷内杜邦望远镜采集。

他们聚焦于NGC1365——一个从地球视角看呈正面朝向的邻近旋涡星系，这种朝向使其细节更易于观测。

这使得研究团队能够分离并分析其中正在形成新恒星的各个区域。

年轻的炽热恒星发出强烈的紫外光，激发周围气体。

这一过程使氧等元素产生特征性的窄谱线。

通过分析这些光谱模式，科学家能够研究元素在星系中的分布情况。

天文学家长期以来一直知道，星系中心往往含有更高浓度的氧等重元素，而外围区域则较少。

这些分布模式受到多种过程的影响，包括恒星形成和超新星爆发的时间与位置、气体在星系内外的流动，以及与其他星系过去的相互作用。

螺旋星系NGC1365的六幅视图，源自其光谱测光数据立方体，该数据立方体由TYPHOON巡天项目获取。

最左侧为宽带图像，通过平衡B（蓝）、V（可见光）和R（红）波段的连续谱图像，近似呈现人眼所见的星系外观。

其右侧为窄带图像，从TYPHOON数据立方体中提取，中心波长对准电离氢的Hα谱线。

单个HII区清晰可见，这些区域由炽热、高光度的O型与B型恒星提供能量，勾勒出两条宏伟的旋臂结构。

接下来的三幅图像为分别以其他诊断性发射线（氮、硫以及三种诊断线的合成图像）为中心的数据切片。

最后一幅图展示了NGC1365经颜色编码的视向速度场。

致谢：B.Madore，卡内基科学研究所天文台 重建120亿年的星系演化历程 通过追踪NGC1365中氧含量的空间分布变化，并将观测结果与Illustris项目提供的先进数值模拟进行比对，研究团队得以重建该星系数十亿年来的演化历程。

这些模拟涵盖了气体运动、恒星形成、黑洞活动以及化学成分演化等关键物理过程，时间跨度从宇宙早期延续至今。

他们的分析表明，该星系的中心区域形成较早，并迅速富集了氧元素。

相比之下，外围区域则通过数十亿年间与多个矮星系的反复碰撞逐渐演化而成。

外侧的旋臂似乎形成时间较晚，很可能是由这些并合事件带来的气体和恒星逐步构建起来的。

看到我们的模拟结果与另一个星系的数据如此接近，非常令人兴奋，哈佛大学天体物理学家、哈佛史密松天体物理中心的天文学家拉尔斯赫尼格说。

这项研究显示，我们在计算机上模拟的天文学过程正在数十亿年间塑造着像NGC1365这样的星系。

一种理解星系的新工具 总体而言，研究结果表明NGC1365最初是一个相对较小的系统，随后通过多次与较小邻近星系的并合，逐渐演化成一个巨大的旋涡星系。

凯利表示，这项工作展示了星系气体中的化学特征如何揭示其过往历史，从而确立了河外星系考古学作为天文学中一种有价值的新工具。

这项研究很好地展示了理论如何直接助力观测工作。

我认为，这项研究还将影响理论研究者与观测研究者之间的协作方式，因为该项目中理论研究与观测工作各占一半，二者缺一不可。

唯有理论与观测紧密结合，才能得出这些结论。

这对银河系意味着什么 研究NGC1365等与银河系具有相似特征的星系，有助于科学家更深入地理解银河系的起源，并判断其演化历史在宇宙中是否具有代表性或属于特例。

所有旋涡星系都是以相似的方式形成的吗？凯利问道，它们的形成过程是否存在差异？它们现在的氧元素分布在哪里？我们的银河系在哪些方面有所不同，或者是否具有独特之处？这些问题正是我们想要解答的。

BY: Smithsonian FY: AI 如有相关内容侵权，请在作品发布后联系作者删除 转载还请取得授权，并注意保持完整性和注明出处