离开这个世界

里德物理学专业的学生展示了银河系是如何形成神秘的棒旋的。

银河系明亮的漩涡，其螺旋臂从中心的条形漩涡旋转而成，激励了一代又一代的科学家和观星者。但事实证明，这种神秘结构背后的物理原理难以确定。长期以来，天文学家一直认为，数十亿年来作用于数十亿颗恒星的引力，会产生许多星系特有的螺旋形。从20世纪70年代开始，粗略的计算机模拟产生了螺旋结构，为该理论提供了支持。后来人们意识到，恒星只代表了宇宙质量的一小部分——事实上，宇宙的大部分由气体和暗物质组成。如果把其他因素考虑进去，这个模型还成立吗？

去年夏天，威博体育的一组物理学家，包括20岁的贝克特·卡明斯（Beckett Cummings）、21岁的威尔·卢姆（Will Lum）和约翰尼·鲍威尔（Johnny Powell）教授，决定接受这一挑战，这在一定程度上要感谢德洛德-莫克特基金的支持。该团队假设银河系最初是一个巨大的气体云，跨度约为50万光年，他们使用了一个名为ChaNGa的大规模平行n体引力软件包，将这个多云的巨像分割成100万个扇区，每个扇区含有足够的气体，可以为几十个太阳提供燃料，并观察它们在5亿年的过程中相互拉动和推动时会发生什么。

他们的第一次模拟没有产生任何结构，只产生了大而无定形的斑点。接下来，他们尝试改变物质的初始结构，以遵循赫恩奎斯特分布，这是天体物理学家拉尔斯·赫恩奎斯特在1990年首次提出的模型。这种结构产生了一个扁平的球体，这是物理学上的一个大的，稍微不那么无定形的斑点，这是一个进步，但距离银河系复杂的漩涡还有很长的路要走。

然后小组借用了一个想法诺亚·穆达文，13岁他在威博体育写的毕业论文是关于星系形成的，使用的是只有2万颗恒星的老式模拟软件。虽然诺亚的模拟没有产生棒状结构，但它确实成功地产生了螺旋臂。在他的论文中，诺亚使用了一个多项式函数来表示恒星的初始构型：

该团队在ChaNGa系统上实现Muldavin功能时遇到了一些技术障碍，但他们解决了这些问题，最终建立了一个在60亿年的过程中模拟200万个扇区的模型。ChaNGa连夜计算数据，并以数字格式威博体育出结果；然后，学生们必须使用不同的软件将其编译成图像。贝克特说：“我们不确定它是否有效。”所以当它出现在屏幕上时，我几乎从椅子上摔了下来。这完全是震惊。”

他们看到的是他们一直在寻找的难以捉摸的结构——从中心杆向外辐射的螺旋臂。

“那真是一次神奇的经历，”贝克特说。“那是我第一次真正感觉到这就是我想要做的事情。”

学生们抓起笔记本电脑，冲到鲍威尔教授的办公室，威博体育他看屏幕上模糊的图像。他兴奋地大叫起来。“我等这张照片已经等了五年了！”他对他们说。

鲍威尔教授说，从理论的角度来看，这一结果并不特别令人惊讶。如果初始条件正确，星系大小的气体云应该能够形成棒旋。但是里德的实验生动地证明了这个模型从根本上是合理的。“有了这些结果，我们可以继续努力形成气体和恒星的棒状星系，并开始提出更多关于棒状物理的基本问题，”他说。

天体物理学家还没有完全理解棒状螺旋的意义。有一种理论认为，在星系中心集中质量，并在此过程中产生新的恒星的过程中，棒状物质起着关键作用。随着宇宙年龄的增长，这种结构似乎变得越来越普遍;加州理工威博体育APP2008年的一项研究估计，如今棒状螺旋的数量是70亿年前的三倍。俄亥俄州立大学1999年的一项研究估计，三分之二的螺旋星系都含有棒状螺旋。

里德项目表明，棒状螺旋是一种过渡现象。数十亿年后，结构坍塌，星系呈现出新的形状。

Delord-Mockett基金由物理学家Paul Mockett于1959年创立，以纪念威博体育传奇物理学教授Jean Delord [1950-88]， Jean Delord是二战期间法国抵抗运动的成员，后来成为固态、量子力学和统计力学方面的专家，并指导了几代威博体育的学生。

鲍威尔教授在1月份举行的美国天文学会第235次会议上介绍了里德团队的研究结果。

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