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从来最大的宇宙计算机仿真加剧宇宙学困境

2023-10-25 10:08阅读：

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从来最大的宇宙计算机仿真加剧宇宙学困境

By Sharmila Kuthunur
2023/10/25
Science & Astronomy
“我输了。”
我们今天在宇宙中看到无数恒星和星系闪闪发光，但实际上在那里有多少物质呢？这个问题是足够简单——然而它的一个答案原来是相当一个挠头的。
这种困境很大上存在因为目前的宇宙学观测只是对当今宇宙中物质怎样被分布上不一致。
一些帮助可能是一种新的计算机追踪宇宙的所有元素------普通物质、暗物质和暗能量------怎样按照物理学的法则演变仿真。令人惊叹的虚拟上视觉显示在宇宙中显现被所谓的宇宙之网馈入的星系和星系团。这个网是宇宙中最大的结构，用由正常物质或重子物质和暗物质组成的细丝构成。
与以前只考虑了暗物质的仿真不同，这项新工作被一个叫用解释下一代观测全天空映射全水力大尺度结构仿真（FLAMINGO）进行，也跟踪普通物质。
荷兰莱顿大学教授、关于用解释下一代观测全天空映射全水力大尺度结构仿真项目三项新研究的合著者焦谱沙耶在一份声明中说，“虽然暗物质统治引力，但普通物质的贡献不能再被忽视”。
至于宇宙真的包含多少物质，天文学家说像这样的计算机仿真不仅是伟大的宇宙眼睛糖果，而且也是重要的探测器来帮助定下宇宙学中叫“S8紧张”的一个重大差异的原因。这就是就宇宙中物质如何被分布的争论。
什么是 S8 紧张？
当研究宇宙时天文学家有时用所谓的S8参数工作。这个参数基本上特征化我们宇宙中所有物质多“块状的”或被强聚类的，并且用所谓的低红移观测能被精确测量。天文学家用红移来测量一个天体离地球多远，而像“弱引力透镜勘查”这样的低红移研究能照亮在遥远的宇宙中展开的过程，因此更古老的宇宙。
但S8的值也能被用宇宙学的标准模型预测，科学家基本上能调整模型来匹配宇宙微波背景（CMB）的已知属性，这是从大爆炸遗留的辐射，并从那里计算物质的结块性。
因此，这里是事情。
这些------ 他们叫这种差异为S8紧张。
事实上，S8紧张正在宇宙学中与它的著名的表亲哈勃紧张略有不同的酝酿危机，哈勃紧张指科学家在定下宇宙膨胀速率中面临的不一致。
团队的新仿真没有为S8紧张提供一个答案的原因是，与以前只考虑暗物质在演变的宇宙上的影响的仿真不同，最新的工作也考虑了普通物质的影响。与暗物质相反，普通物质被引力以及来自跨宇宙气体压力规制。例如，由超新星爆炸驱动的星系风和积极的吸积的超大质量黑洞是通过将它的粒子普通物质的粒子吹出进入星系际空间重新分配普通物质的关键过程。
然而，甚至新工作的普通物质以及一些最极端的星系风的考虑是不足以来解释在当今宇宙中观测到的物质的微弱结团。
沙耶告诉太空网站， “在这里我输了，一个令人兴奋的可能性是，这种紧张正指向宇宙学标准模型中的缺陷或甚至是物理学的标准模型”。
从来最大的宇宙计算机仿真加剧宇宙学困境

2.8 Gpc框显示各种量：气体（温度和表面密度的结合），CDM（暗物质表面密度），恒星（恒星表面密度）和中微子（中微子表面密度）。所有量均使用对数色标显示来可视化微弱的结构.(Image credit: Flamingo Virgo Consortium)

气体


从来最大的宇宙计算机仿真加剧宇宙学困境
2.8 Gpc框显示各种量：气体（温度和表面密度的结合），CDM（暗物质表面密度），恒星（恒星表面密度）和中微子（中微子表面密度）。所有量均使用对数色标显示来可视化微弱的结构.(Image credit: Flamingo Virgo Consortium)

CDM


从来最大的宇宙计算机仿真加剧宇宙学困境
2.8 Gpc框显示各种量：气体（温度和表面密度的结合），CDM（暗物质表面密度），恒星（恒星表面密度）和中微子（中微子表面密度）。所有量均使用对数色标显示来可视化微弱的结构.(Image credit: Flamingo Virgo Consortium)

恒星


从来最大的宇宙计算机仿真加剧宇宙学困境
2.8 Gpc框显示各种量：气体（温度和表面密度的结合），CDM（暗物质表面密度），恒星（恒星表面密度）和中微子（中微子表面密度）。所有量均使用对数色标显示来可视化微弱的结构.(Image credit: Flamingo Virgo Consortium)

中微子


从来最大的宇宙计算机仿真加剧宇宙学困境
2.8 Gpc框显示各种量：气体（温度和表面密度的结合），CDM（暗物质表面密度），恒星（恒星表面密度）和中微子（中微子表面密度）。所有量均使用对数色标显示来可视化微弱的结构.(Image credit: Flamingo Virgo Consortium)

异域物理学还是一个有缺陷的模型？
因此，这种S8紧张源于哪里呢？
英国利物浦约翰摩尔斯大学的理论天体物理学家、三项新研究的合著者伊恩麦卡锡告诉太空网站， “我们不知道，这是使这如此令人兴奋的”。
然而，像由用解释下一代观测全天空映射全水力大尺度结构仿真进行的计算机仿真可能正把我们更带近一步。它们可能帮助揭示S8紧张的原因，因为宇宙的一个宏伟虚拟映射可能有助于识别在我们当前测量中可能的错误。例如，天文学家正在慢慢排除这个问题的更平凡的解释，例如这可能是由于观测大尺度结构中普遍的不确定性，或者与宇宙微波背景本身相关的问题的事实。
在真实中，研究小组推测，也许正常物质的影响比目前的仿真要强得多。不过，这似乎也不太可能，因为仿真与观测到的星系和星系团的属性很好的一致。
麦卡锡说，“所有这些可能性都非常令人兴奋，对基础物理学和宇宙学有重要意义”。然而，最令人兴奋的可能性是“标准模型以某种方式是不正确的”。
麦卡锡说，例如，暗物质可能有在标准模型中未被考虑的异域自我相互作用属性------S8紧张可能发信一个我们的引力理论在最大尺度上的崩溃。
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尽管如此，虽然最新的仿真追踪正常物质和称为中微子的亚原子粒子的影响------这两者都被发现对做出准确预测星系如何跨纪元演化是重要的------但它们没有解决S8紧张。
麦卡锡说，这里是最终的挠头者：在低红移下，宇宙正在比被标准模型预测的重大的更少结块。但是，在宇宙微波背景和低红移测量之间探测宇宙结构的测量“与标准模型预测完全一致，似乎在宇宙历史的很大一部分时间里，宇宙就像被预期的一样行为，但在宇宙历史的后期某些东西变化了”。
也许来解决S8紧张的关键在于对究竟是什么推动了这种变化。
这项研究在Monthly Notices of the Royal Astronomical Society杂志上发表的三篇论文中被描述.
从来最大的宇宙计算机仿真加剧宇宙学困境

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