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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】