當前的宇宙學理論能否解釋宇宙是如何演化的？找出答案的一種方法是將我們所知的關於早期宇宙以及星系如何形成的一切都輸入到超級計算機中，看看會得到什麼。在今天發表在《自然》雜誌上的一項模擬中，研究人員正是這樣做的——並揭示了一個看起來很像我們自己宇宙的宇宙。這些發現為宇宙學的標準模型增添了分量，但也可能幫助物理學家探究我們的星系形成模型在哪些方面存在不足。
麻省理工學院（位於劍橋）的物理學家馬克·沃格爾斯伯格和他的同事建立了一個宇宙模型，該模型追蹤了可見物質和暗物質從大爆炸後僅1200萬年開始的演化過程（見影片）。雖然之前的模型要麼小而精細，要麼大而粗略，但這次模擬覆蓋了足夠大的空間區域，足以代表整個宇宙——一個邊長為106.5百萬秒差距（3.5億光年）的立方體——但又足夠精細，可以分辨出小規模結構，例如單個星系。與之前的模擬不同，它產生了與觀測結果非常吻合的星系形狀混合物。它還準確地再現了宇宙中星系團和中性氣體的大尺度分佈，以及星系的氫和重元素含量。
沃格爾斯伯格說，模擬的成功歸功於其改進的演算法，以及其計算包含了豐富的物理學內容，例如超大質量黑洞的形成及其對其環境的影響。這個名為 Illustris 的模型需要巨大的計算能力：即使在最先進的臺式計算機上執行也需要近 2000 年，他補充道。即使在超過 8,000 個處理器上執行，模擬仍然花費了幾個月的時間。
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標準成功
馬德里自治大學的天體物理學家克里斯·布魯克說，之前的模型甚至難以正確獲得星系最基本的屬性，他使用模擬研究星系形成。目前尚不清楚失敗是由於星系形成建模問題，還是物理學家的大爆炸宇宙學標準模型的潛在問題造成的，在該模型中，宇宙中只有 4% 是普通物質，23% 是暗物質，73% 是暗能量。
直到最近幾年，才有可能使用該模型來模擬與一系列觀測到的屬性相匹配的星系。布魯克說，沃格爾斯伯格及其同事的模型再現了真實宇宙中看到的各種星系型別，這使標準模型的基礎更加穩固。他補充說，從現在開始，這種模擬將變得更加有用，可以預測和解釋觀測結果。
儘管該模型與宇宙觀測結果非常吻合，但它確實存在異常現象。例如，它顯示低質量星系形成得太早。“現在的想法是嘗試理解為什麼會發生這種情況，並看看我們在星系形成方面遺漏了什麼，”沃格爾斯伯格說。