通过英国皇家天文学会发布的这些新模拟，您可以直观地观测并聆听星系的演化过程。

新的模拟让科学家得以目睹和聆听星系的演化。COLIBRE模拟以前所未有的细节追溯了从早期宇宙到如今的星系成长过程。 通过纳入冷气体和宇宙尘埃（恒星的原材料），这些模型能更准确地重现真实星系。模拟结果与韦布等望远镜的观测结果相匹配。 结果表明，标准宇宙学模型仍然成立。它们还解释了星系是如何在数十亿年的时间里形成并演化到如今的状态的。

皇家天文学会于2026年4月13日发布了这篇原创故事。由地球天空网站编辑。

模拟星系如何生长与演化

科学家们已经创建了迄今为止最逼真的星系随时间形成和变化的模拟。这些模拟让我们既能看到，甚至还能听到星系在早期宇宙中是如何演化的。

《皇家天文学会月刊》发表的数据显示，当纳入关键物理过程后，标准宇宙学模型能够成功解释从大爆炸后最初十亿年至今所观测到的星系演化过程。

与早期的模拟不同，COLIBRE虚拟宇宙对星系内部的冷气体和宇宙尘埃进行了建模。这些是恒星形成的原材料，并且它们会极大地影响星系在望远镜中的外观。

通过加入此前缺失的要素并使用远超以往的计算能力，这些模拟成功再现了真实星系的特征，既能准确反映现今宇宙中的星系形态，也能还原早期宇宙中观测到的星系结构。

莱顿大学项目负责人乔普沙耶表示：

真实星系内部的大部分气体既寒冷又布满尘埃，但此前的大多数大型模拟都不得不忽略这一点。有了COLIBRE，我们终于将这些关键要素纳入考量。

数字式冷气体与尘埃颗粒

据国际研究团队称，他们的COLIBRE模拟在多个方面实现了突破。早期的模拟人为地限制了星系内部气体的冷却下限，使其无法降至约10000华氏度（5500摄氏度）以下——这一温度高于太阳表面温度。此前，对更低温气体的建模因计算复杂度过高而难以实现。然而观测表明，恒星实际形成于低温气体之中。COLIBRE模拟则纳入了额外的物理与化学过程，从而能够直接模拟这种低温星际气体。

COLIBRE还模拟了小尺寸尘埃颗粒。这些颗粒可显著影响星系中的气体。固态颗粒有助于氢分子的形成，而氢分子构成了星系中冷气体的主要成分。尘埃还能屏蔽气体，使其免受强烈紫外辐射的影响。此外，尘埃还深刻影响星系在望远镜中的观测表现：它吸收恒星发出的紫外光和可见光，并将其重新辐射为红外光，从而塑造了许多天文观测结果。通过直接建模尘埃，COLIBRE为将数值模拟结果与实际观测数据进行对比提供了新的途径。

得益于算法和超级计算的进步，COLIBRE使用的分辨率单元比早期模拟多达20倍，使科学家能够以更高细节和更优统计模拟更大尺度的宇宙结构。

左侧的面板展示了所谓的宇宙网，颜色代表气体和恒星的投影密度。右侧的两幅图像分别对模拟中形成的两个星系进行了放大展示。这些图像显示了由于尘埃遮挡而呈现的恒星光，其中一幅为正面朝向的盘状星系，另一幅为侧面朝向的盘状星系。图像源自皇家天文学会施艾等（2026）（署名4.0国际许可）。

一个新的实验室

科利布雷表明，对冷气体、尘埃以及由恒星和黑洞驱动的喷流进行真实可靠的模拟，对于理解星系演化至关重要。该研究为检验理论、解释观测结果以及生成虚拟观测数据以验证天文学家分析真实数据的方法提供了强有力的新型实验平台。

这些发现还表明，标准宇宙学模型仍然与星系演化的观测结果相符。这其中还包括一些科学家认为具有挑战性的方面，比如早期宇宙中星系的质量。

莱顿大学的叶夫根尼恰金是多篇配套COLIBRE论文的通讯作者，也是主要研究的合著者。恰金表示：

一些早期的詹姆斯韦布空间望远镜观测结果曾被认为对标准宇宙学模型构成挑战。COLIBRE模拟表明，一旦更真实地纳入关键物理过程，该模型便与观测结果一致。

仍有一些问题悬而未决。

不过，仍有一些现象尚未得到充分解释，例如韦布望远镜发现的神秘微红光点。它们可能是超大质量黑洞的种子，而COLIBRE模型并未预测这类天体的形成，仅假设此类种子已预先存在。要模拟其起源过程，需开展更高分辨率的数值模拟，并引入新的物理机制。

天文学家使用SWIFT模拟代码，在杜伦大学计算宇宙学研究所的COSMA8超级计算机上开展了数值模拟。该超算平台由英国DiRAC国家设施提供支持。其中规模最大的一次模拟耗用了7200万CPU小时，而整个模型的研发历时近十年，由来自欧洲、澳大利亚和美国的国际研究团队共同完成。

卡洛斯弗兰克是杜伦大学计算研究所的奥格登基础物理学教授，也是COLIBRE团队的核心成员。弗兰克说：

看到从我们的计算机中生成的星系与真实的事物毫无区别，并且具有天文学家在真实数据中测量到的许多属性，例如数量、光度、颜色和大小，这令人振奋。 我喜欢逗我的观测同事，问他们：这些图像你觉得来自哪个星系目录？ 最令人惊叹的是，我们能够通过在膨胀的宇宙中单纯求解相关的物理方程来生成这个合成宇宙。

看到从我们计算机中生成的星系与真实星系难以区分，并且具备天文学家在实际数据中测量到的许多特性，如数量、光度、颜色和大小，真是令人兴奋不已。

我喜欢逗我的观测同事，问他们：你觉得这些图像来自哪个星系目录？

最令人惊叹的是，我们仅通过求解膨胀宇宙中相关的物理方程，便能构建出这一合成宇宙。

科学家指出，分析目前已产生的数据仍需数年时间。大部分模拟工作已在近期完成，而部分最高分辨率的模拟仍在进行中，研究人员预计将在夏季结束后完成这些模拟。

见证并聆听星系的演化

除了传统的数据产品，该团队还开发了探索模拟数据的新方法。这包括有声图片。这些图片对额外的物理信息进行了声音编码。他们还有交互式地图，允许用户探索虚拟宇宙。

朴茨茅斯大学的詹姆斯特雷福德（JamesTrayford）带领开发了COLIBRE的尘埃模型，并对其可视化结果进行了声音化处理。特雷福德表示：

我们不仅对科学本身感到兴奋，也对创造探索科学的新方式充满期待。这些工具可能带来新的洞见，使我们的领域更加易于接触，并帮助我们建立对星系如何生长和演化的直观理解。

通过结合物理学与计算技术，这些模型帮助我们理解塑造星系在宇宙历史中演化的各种过程。图片由皇家天文学会提供。

看到和听到星系在新模拟中演化的图片，来自皇家天文学会。这些模拟帮助天文学家追踪从宇宙早期到现在的增长过程。

星系形成与演化的宇宙学流体动力学模拟

英国皇家天文学会

相关知识

星系演化是指星系从形成初期到现今状态的结构、成分和动力学特性的长期变化过程。这一过程受恒星形成、超新星爆发、黑洞活动及与其他星系的相互作用等多种因素影响，通过观测不同红移的星系，天文学家可追溯宇宙历史中星系的演化轨迹。

BY: EarthSky Voices

FY: AI