近邻宇宙再构造——基于流体模拟研究宇宙网中的星系际介质

中国科学技术大学天文学系王慧元教授团队近期在宇宙大尺度结构的再构造及气体性质的研究中取得新的进展，相关成果已发表于天文学国际期刊ApJ。

往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。自古以来，人们对所处时地的好奇便驱使了一代又一代的人投入对宇宙的研究中。古时人们看到斗转星移、昼夜变换而提出的天圆地方，后来通过简易的观测设备观测太阳、行星而提出的地心说、日心说，直至今日我们通过将望远镜送上太空以获得更好的观测条件，通过建造更大口径的望远镜观测更远的太空，这期间经历了如此漫长的岁月，伴随着人类文明的演化一个个更加贴合真实宇宙的模型被学者提出，我们也一步步地揭开宇宙神秘的面纱，逐渐去接近宇宙本来的样子。

超级计算机作为本世纪最强大的发明之一，在学者对宇宙的研究中也扮演了举足轻重的作用。我们通过建立一个个量化的宇宙演化模型，把宇宙的演化规律用计算机程序的语言编写下来，并运行在越来越先进的超级计算机上。这些强大的超级计算机将使宇宙重获新生，长达130多亿年的宇宙演化，被浓缩到几个月、甚至几周的计算中。通过这些仔细调教、有充分理论依据的计算机模拟演化，我们很大程度上复原了真实宇宙演化的历程，这些模拟精准的复原，也验证了其中用到的模型的可靠性，并且为我们研究一些未知的性质提供了更加量化和可控的途径。

该研究采用自己独立发展的再构造的方法，通过使用超级计算机模拟，精确地还原了三片近邻宇宙的演化历史（如图1）。通过斯隆巡天（SDSS）观测到的星系（散点图）与模拟中暗物质分布（彩图）的对比，可以清楚地看到，通过超级计算机模拟产生的宇宙与其实的宇宙非常接近，很好地还原了绝大多数较大的物质结构，这使得我们前所未有地可以与其实的宇宙“一对一”式地细致研究和比较，研究和验证新的模型、发现新的性质或是研究物质结构的演化历史，也使人类在探索宇宙演化的道路上迈出了举足轻重的一步。

该研究还详细模拟中宇宙的X射线、SZ效应、类星体吸收线等多种可观测量，并与最新的相关观测数据对比，均有相当高的符合度。例如图2中模拟的Coma星系团的SZ效应和X-ray辐射图中分别清晰展示了大尺度和小尺度上的两个扇形结构，这些结构对应着星系团成长过程中并和和吸积过程产生的激波。最新的Planck观测的SZ效应上，eROSITA X-ray观测以及射电观测上都发现了对应的结构。这表明我们的模拟可靠的再现了真实Coma星系团的历史。图2还展示了真实观测数据轮廓和模拟结果的比较。可以看到，在星系团内部，再构造模拟甚至可以定量的再现观测数据。这些都显示出我们再构造模拟的强大之处。该研究还对模拟数据进行了简单的统计研究，发现了新的气体与暗物质性质的相关性——气体温度与所有物质潮汐场强度的关系，该关系反映了重子物质与暗物质相互作用的结果，为通过纯暗物质模拟开展气体研究提出了新的方法，也为引力模型的研究提供了新的途径。总之，这些再构造模拟为未来研究各种天体物理现象提供了一个强大的模拟平台。

该项研究第一作者是天文系博士生李仁杰，研究得到基金委、科技部和教育部的支持。