林彥興
前幾個月，我們談了很多跟宇宙學、星系的形成與演化相關的主題。
其中常提到，宇宙剛剛誕生的時候，密度是非常均勻的，僅有非常微小的起伏。但隨著時間過去，這些微小的密度起伏會在重力的影響下逐漸放大，形成一個一個暗物質暈（Dark Matter Halo），並成為星系形成的溫床。在宇宙學中，這個過程稱為「結構形成 Structure Formation」。
但說實話，這個過程用文字敘述還是相當的抽象難懂，均勻到底是多均勻？剛好前幾個月小編載了個新的模擬軟體來玩，那就做個短片給大家看看吧！影片中顏色越接近橘黃色，代表密度越高；反之越接近藍紫色，代表密度越低。可以看到，宇宙一開始的密度相當均勻，但很快的在重力的作用下，許多小小的暗物質暈開始形成。接下來暗物質暈之間還會互相吸引、合併，最終形成網狀的大尺度結構，稱為「宇宙網 Cosmic Web」。
在這個模擬中，我們只有考慮暗物質，不包含任何的一般物質（Baryonic Matter）。為什麼呢？很簡單，因為一般物質很複雜，它們會發光、會加熱、會冷卻、會相變......總之就是很難算。相比之下，只會參與重力交互作用的暗物質要單純得多。而且由於暗物質的質量比普通物質要多很多，因此在重力主宰的大尺度結構上，即使不考慮一般物質之間複雜的交互作用，其結果也八九不離十。物理嘛，一切都是近似。
從 1990 年代開始，宇宙學家們大量地使用這種「純暗物質宇宙學模擬 DM Only Cosmological Simulation」進行結構形成相關的研究，測試不同的暗物質特性、不同的宇宙參數，會對宇宙的結構產生怎樣的影響，並且最終確立了 LCDM 宇宙學模型的主導地位。而為了與下一代巡天望遠鏡（如歐幾里德、魯賓、羅曼等）將產出的龐大觀測資料比較。今日宇宙學家仍不斷的挑戰更大尺度（模擬範圍數十億光年等級）、超高解析度的純暗物質的宇宙學模擬。
像影片中這個模擬的規模，大概是 1990 年代中的水準。只是當年的宇宙學家們得在超級電腦上跑幾百個小時，小編在自己的筆電上只需要跑一天左右。令人不禁感嘆過去三十年電腦科技的進步之快速。
延伸閱讀
〈在實驗室建構一片璀璨宇宙 宇宙學模擬〉科學月刊
〈丈量宇宙幾何：歐幾里德太空望遠鏡〉科學月刊
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