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人創宇宙:百億光年的狂想

2014/5/8 — 18:04

 
 
天體學家今早發表研究報告,宣告成功模擬宇宙的演化過程。看完附錄短片後,不禁為學者的瘋狂喝釆。人類觀天數千年,掌握了自然定律,今日天體學家用來創造虛擬宇宙,不啻若通過了「考試」。 下圖左是著名的「哈柏超深景」——人類以光學望遠鏡得到最深遠的宇宙影像,圖右則是研究團隊公佈的模擬宇宙圖象,外行人難分虛實。這個名為 Illustris 的國際合作成果,驟眼看來以為是科幻電影或電腦遊戲的背景,其實是現代天體學和最前端電腦科技的結晶。

左圖:Hubble 望遠鏡實測,右圖:Illustri 模擬。Source: Figure b & c,http://www.nature.com/nature/journal/v509/n7499/full/nature13316.html

左圖:Hubble 望遠鏡實測,右圖:Illustri 模擬。Source: Figure b & c,http://www.nature.com/nature/journal/v509/n7499/full/nature13316.html

從無到有,暴漲 (1) 生成時空和物質,再緩慢膨脹百多億年之後,現在可觀察的宇宙已横跨數百億光年;科學家欲模擬其演化史,從何入手?幸好宇宙沒有方向性,沒有中心,「見微知著」,一個足夠大小的角落就可代表其典型。

為了模擬這個三億多光年大的宇宙一角,研究團隊以先進的編程技術寫了十多萬行運算程式,既要處理大尺度的星體際演化,同時又要在億倍細小的空間計算恆星及黑 洞的生成至爆炸,超級電腦用了相等於千多萬小時的處理器時間才完成運算。研究團領隊訴說,數據是公開的,希望更多科學家利用,可惜最快的網絡傳送也需時數 月。

簡潔的宇宙模型空前成功

正如㺅子打不出莎翁十四行詩,若未能掌握宇宙演化背後的自然定律,縱有再多億萬倍的計算能力,人類在迷霧中只會看到一片混沌。 今日天體學家能扮演造物者角色,模擬宇宙一角,有賴現代大爆炸理論模型:
Lambda-CDM Model 是所謂 Λ-冷暗物質(Cold Dark Matter)模型的簡稱。它在大爆炸宇宙學中經常被稱作索引模型,這是因為它嘗試解釋了對宇宙微波背景輻射、宇宙大尺度結構以及宇宙加速膨脹的超新星觀 測。它是當前能夠對這些現象提供融洽合理解釋的最簡單模型。(維基百科
在包含大爆炸理論的 Lamda-CDM 模型中,宇宙充滿已知物質、暗物質和暗能量,其特質及膨脹演化進程由六個主要參數 (2) 決定,包括哈柏常數、正常物質(重子)及暗物質密度等。唯有通過如此簡潔的模型,Illustris 電腦才能模擬複雜得不可想像的星體聚合和衰老、超新星爆炸 (1:16),同時在巨大尺度計算銀河星系及其中心的超重黑洞等等的型成。模擬結果證明,Lamda-CDM 模型能產生豐富的宇宙內容,如下圖不同形狀的星群,並能推算一系列數值,包括高密度星際雲中的氫氦元素和重元素的比例。 模擬結果和觀察所得對照,有助科學家理解理論模型的強項與不足,最終目的依然是探求自然定律的奥秘。

 

Source: Figure 1a, http://www.nature.com/nature/journal/v509/n7499/full/nature13316.html

Source: Figure 1a, http://www.nature.com/nature/journal/v509/n7499/full/nature13316.html

短片由宇宙生成後 1,200 萬年開始(距今的 0.1%),不可觀察的暗物質演另圖以偽色表達。首段在 3,500 萬光年的尺度進行,2:44 分鐘起拉近至十萬光年尺度模擬星際雲及銀河星體,至 4:48 分鐘,橫跨 350 百萬光年的主角才出場。

註:

  1. Telescope captures view of gravitational waves, Nature, 17 March 2014.
  2. 最新的 Planck 宇宙背景微波的溫度分佈譜圖和 Lamda-CDM 模型預測更進一步地吻合: Planck 2013 results. XVI. Cosmological parameters, March 21, 2014

 

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