星系的形成是物质与能量之间的复杂舞蹈，发生在宇宙比例的跨越数十亿年的舞台上。我们今天所观察到的结构和动态星系的多样性是如何从大爆炸的激烈混乱中产生的，这仍然是宇宙学中最难解决的谜题之一。
为了寻找答案，一个国际科学家团队创建了迄今为止最详细的宇宙大型模型，他们将其称为TNG50。他们的虚拟宇宙大约2.3亿光年宽，包含成千上万个演化中的星系，其细节水平以前仅在单星系模型中才能看到。该模拟在138亿年的时间内跟踪了代表暗物质，气体，恒星和超大质量黑洞的200亿个粒子。
上图为TNG50，其中大质量星系团的中心是超热的（红色），而明亮的结构显示出宇宙空洞和细丝之间边界处星系间介质冲击加热产生的扩散气体。
前所未有的分辨率和规模使研究人员能够收集关于我们自己宇宙过去的关键见解，揭示各种奇形怪状的星系如何自我演化，以及恒星爆炸和黑洞如何触发了这一星系演化。他们的研究结果发表在两篇文章中，并将在12 月的《皇家天文学会月刊》上发表。
TNG50是IllustrisTNG项目创建的最新模拟，该项目旨在通过产生大规模宇宙而不牺牲单个星系的精细细节，来完整地描绘出自大爆炸以来我们的宇宙如何演化。
佛罗里达大学物理学副教授，该研究的合著者Paul Torrey说：“这些模拟是巨大的数据集，我们可以通过剖析和理解其中星系的形成和演化来获得大量信息。TNG50最根本的创新之处在于，你可以在星系内部获得足够高的质量和空间分辨率，让你清楚地了解星系形成和进化时的内部结构。”
该模型对细节的关注需要付出一定的代价。该仿真需要德国斯图加特的Hazel Hen 超级计算机的 16,000个处理器核心，连续运行超过一年。相同的计算将花费一个处理器系统15,000年的时间。尽管是历史上计算量最大的天体模拟之一，但研究人员认为他们的投资已获得回报。
这项研究的合著者，德国慕尼黑马克斯·普朗克天体物理学研究所的博士后Dylan Nelson在一份声明中说： “这样的数字实验在获得比投入更大的投入时特别成功。在我们的仿真中，我们看到未明确编程到仿真代码中的现象。这些现象以自然的方式出现，源于模型宇宙基本物理成分的复杂相互作用。”
上图模拟激烈的星系团诞生，其中暗物质结构（白色）融合在一起，而超大质量黑洞和超新星将宇宙气体驱散（气体运动以红色显示）。
这种新出现的现象对于理解为什么我们的宇宙会在大爆炸后的138亿年的今天出现是至关重要的。他们发现，在我们的宇宙邻居中常见的圆盘状星系自然地出现在他们的模拟中，并产生了内部结构，包括螺旋臂、凸出物和从中心超大质量黑洞延伸出来的条状物。当他们将计算机生成的宇宙与现实生活中的观测结果进行比较时，他们发现星系的数量与现实相符。
随着星系继续变平成有序的旋转盘，另一种现象开始出现。每个星系中心的超新星爆炸和超大质量黑洞造成了气体的高速流出。这些外流变成了气体的泉源，从星系上方升起了数千光年。引力的拉动最终将大量这种气体带回了星系的圆盘，将其重新分布到星系的外缘，并形成了气体流出和流入的反馈回路。除了循环利用构成新恒星的物质外，这些外流的物质还会改变星系的结构。回收的气体加速了星系向更薄的旋转圆盘的转变。
尽管有这些初步发现，但团队还远远没有完成对模型的剖析。他们还计划公开发布所有模拟数据，供世界各地的天文学家研究他们的虚拟宇宙。
Torrey 说：“既然我们已经完成了这些模拟工作，那么前面还有很长的路要走。整个研究团队正在努力更好地了解形成的星系的详细特性以及这些数据中出现的新趋势。”
