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2021-05-01在實驗室建構一片璀璨宇宙 宇宙學模擬 617 期

Author 作者 林彥興/EASY天文地科團隊總編輯,努力於陰溝中仰望星空。
當我們抬頭仰望,無數美麗的星系就像一顆顆璀璨寶石高掛夜空。過去100年間,人類對星系的了解有了長足的進展,它們就跟我們所在的銀河系一樣,是由無數的恆星、氣體、暗物質所組成的宇宙島。且多數星系的中心,都有著一顆超大質量黑洞。

但若是我們往更遠、更古老的宇宙望去,卻會發現早期宇宙中的星系,與今日大不相同。從大霹靂至今的138億年間,星系們究竟經歷過哪些演化歷程,可說是當今天文物理學界最重要的研究課題之一。因此,天文學家不斷建造新的望遠鏡,想要一窺更遠、更暗、更古老的星系。但與此同時,我們也需要星系演化的理論來詮釋和理解觀測的結果,而宇宙學模擬,正是其中不可或缺的一環。

複雜的宇宙

根據現在主流的宇宙學理論,在宇宙誕生之初, 物質的分布非常均勻。這裡所說的物質,包含了「暗物質」(dark matter)與「重子物質」(baryonic matter)。前者至今雖然真身未明,但我們可以單純的將它們當作是一種不會發光,僅參與重力交互作用的粒子;後者就是我們熟悉的氣體、恆星等一般物質。

但即使只有微小的密度不均,宇宙中密度稍微大一點點的地方,也會在重力的作用下吸引周遭物質,使它的密度進一步增加。密度增加之後,重力也會隨之增強,使更多物質被吸引過去,形成正回饋,讓物質不斷的聚集、塌縮,最終形成一團一團的「暗物質暈」(dark matter halo),排列成有如不規則蜘蛛網般的「大尺度結構」(large scale structure)。而星系,就在一個個暗物質暈中誕生。


然而,這個過程中牽涉到的物理機制相當複雜。光是計算如此大量的物質如何以重力互相吸引,就已相當不容易,而重子物質之間的交互作用更是困難。舉例來說,當氣體塌縮時,重力位能將轉化為熱能,使氣體升溫;如果無法將這些能量釋放出去,高溫氣體的熱壓力將抵抗它繼續塌縮。因此,若是一團氣體將能量向外輻射的效率越高,就越有利於氣體的塌縮,這樣的機制稱為「氣體冷卻」(gas cooling)。

當氣體塌縮到足夠高的密度,恆星就會開始形成。但這些形成的恆星,又會以輻射、恆星風、超新星爆炸等方式加熱周圍的氣體,阻止氣體繼續塌縮形成更多恆星。這樣的機制稱為「恆星回饋」(stellar feedback)。……【更多內容請閱讀科學月刊第617期】