“在天体物理学中，我们只能观察到一个宇宙，”麻省理工学院物理学教授马克·沃格尔斯伯格说。 “使用计算机，我们可以创建不同的宇宙，我们可以检查这些宇宙。”
尽管银河系极其复杂，但银河系在星系中并不引人注目。 至少，Mark Vogelsberger 是这么看的。
“我们的银河系有一些可能有点令人惊讶的特征，比如它周围的结构和卫星的确切数量，”Vogelsberger 沉思道。 “但如果你对很多指标进行平均，银河系实际上是一个相当正常的地方。”
他应该知道。 Vogelsberger 是麻省理工学院物理系新任副教授，他职业生涯的大部分时间都在重建数十万个星系的诞生和演化，从宇宙的最早时刻开始一直到现在。 通过利用世界各地超级计算机的力量，他以令人着迷的细节制作了一些最精确的星系形成理论模型。
麻省理工学院副教授 Mark Vogelsberger 在其职业生涯的大部分时间里都在重建数十万个星系的诞生和演化，从宇宙的最早时刻开始，一直到今天。 在这幅肖像图中，背景显示了单个 TNG50 系统周围的晕级气体流动的拓扑结构。 图片来源：麻省理工学院 Jose-Luis Olivares。 背景图由 IllustrisTNG Collaboration 提供。
他对宇宙的模拟表明，星系可以演变成形状、大小、颜色和星团的动物园，在星系群中表现出明显的多样性，这与天文学家在实际宇宙中观察到的情况相吻合。 使用模拟作为一种计算电影卷轴，科学家们可以倒带，详细研究星系形成的物理过程，以及暗物质在整个宇宙中的分布。
在麻省理工学院，Vogelsberger 正在继续改进他的模拟，将它们推到更远的时间和更广阔的宇宙中，以了解早期星系的样子。 通过这些模拟，他正在帮助天文学家确定下一代望远镜实际上能够在早期宇宙中看到什么样的结构。
一个宇宙
Vogelsberger 在哈肯海姆长大，哈肯海姆是德国西部一个约有 2,000 名居民的小村庄，几乎每晚都是观星的完美夜晚。
他回忆说：“光污染非常少，天空真的很完美。”
当他 10 岁时，Vogelsberger 的父母给了他一本儿童读物，其中包括有关太阳系的事实，他认为这激发了他对天文学的早期兴趣。 十几岁的时候，他和朋友建立了一个临时的天文学实验室，并自学了如何设置望远镜和制造各种仪器，他们设计了一种仪器来测量太阳不同区域的磁场。
当时德国的大学课程不提供天文学学位，因此他决定攻读计算机科学文凭，这是他与天文学并行发展的兴趣。 他在卡尔斯鲁厄理工学院就读了两个学期，然后决定转向他在美因茨大学完成的普通物理学文凭。
然后，他前往慕尼黑大学，在那里他学会了将计算机科学技术应用于天文学和天体物理学问题。 他在那里和马克斯普朗克天体物理研究所的博士工作涉及模拟暗物质的详细结构以及它如何在宇宙中小尺度分布。
他帮助开发的数值模拟表明，在与地球大小相当的小尺度上，暗物质可以聚集并以“流”的形式在宇宙中移动，研究人员首次能够通过模拟对其进行量化.
“我一直喜欢通过望远镜观察作为一种爱好，但使用计算机对整个宇宙进行实验只是一件非常令人兴奋的事情，”Vogelsberger 说。 “在天体物理学中，我们只有一个可以观察到的宇宙。 使用计算机，我们可以创建不同的宇宙，我们可以检查（通过观察）。 这对我非常有吸引力。”
“一切都在进化”
2010 年，在获得物理学博士学位后，Vogelsberger 前往哈佛大学天体物理学中心从事博士后研究。 在那里，他将研究转向可见物质，并模拟宇宙中星系的形成。
他花了大部分博士后的时间来构建最终将成为 插画 — 对星系形成的高度详细和逼真的计算机模拟。 模拟首先对大爆炸后约 400,000 万年的早期宇宙条件进行建模。 从那里，Illustris 模拟了膨胀的宇宙在其 13.8 亿年的演化过程中，探索气体和物质引力和凝聚形成恒星、黑洞和星系的方式。
“如果你在台式计算机上从头到尾运行其中一个模拟，则需要几千年，”Vogelsberger 说。 “因此，我们不得不将这项工作分配给数万台计算机，以达到大约六个月的合理运行时间。”
他和他的同事在法国、德国和美国的超级计算机上进行了模拟，以再现在 350 亿光年宽的立方体积宇宙中星系的演化——这是当时对宇宙进行的最大模拟。
Illustris 的初始输出采用数字形式。 Vogelsberger 更进一步将这些数字呈现为视觉形式，将极其复杂的计算浓缩为早期膨胀宇宙的旋转立方体的简短、令人惊叹的视频，发芽旋转星系的种子。
福格斯伯格和他的同事 发表了一篇论文 in 自然 2014 年，详细介绍了模拟的输出及其可视化。 从那时起，他收到了无数来自科学家、媒体和天文馆的模拟请求，在那里，星系形成的可视化被投影到高清晰度的圆顶上。 模拟甚至以 德国邮政邮票。
2013 年，Vogelsberger 加入了麻省理工学院的物理系，当时他记得最初对自己能否跟上“顶尖高手”的步伐存在疑问。
“我很快意识到人们有很高的期望，但他们也帮助你实现你需要实现的目标，该部门在各个层面都非常支持，”他说。
在麻省理工学院，他继续改进星系形成和暗物质分布的计算机模拟。 近日，他的团队发布了 插画TNG，更大更详细的星系形成模拟。 他们还致力于对早期宇宙中的辐射场进行新的模拟，并探索 暗物质的不同模型。
“所有这些模拟都是从一个均匀的宇宙开始的——除了氦、氢和暗物质，什么都没有，”Vogelsberger 说。 “当我看到一切如何演变成类似于我们的宇宙的东西时，这让我想知道我们对物理学的理解已经走了多远。 人类存在的时间很短； 尽管如此，我们已经能够开发出所有这些理论和技术，以便能够做这样的事情。 真是太神奇了。”
