随着恒星形成、星系外流、黑洞增长与黑洞反馈等亚网格模型的确立，当前的宇宙学模拟终于能够从暴胀时期产生的原初密度涨落出发，复现逼真的哈勃序列及所有相关属性。这一切仅在最近几年才成为可能，代表了星系形成模拟领域的里程碑式成就。

这是否意味着大功告成？远非如此。从许多方面来看，探索才刚刚开始。主要问题在于，所有这些亚网格模型在很大程度上都是粗糙且不尽如人意的。它们不是真正的物理模型，而是其卡通化的参数表征。因此，目前星系形成理论的主要研究方向是理解这些对星系属性设定至关重要的亚网格物理过程。

科学界的期望在于，通过更深入地理解恒星形成机制、恒星活动如何驱动物质外流以及黑洞如何增长并释放能量，我们能够找到提升宇宙学模拟真实性的有效路径。

与此同时，宇宙学家正推动星系形成研究朝着相反的方向发展，即往更大尺度发展。

反馈过程对宇宙生态系统的影响似乎出人意料地广泛，例如，如果像一些模拟所示，大质量晕中的大部分重子已经被逐出星系，那么这将极大地影响对暗物质和暗能量的宇宙学测量，因为这意味着星系之间的重子质量比以前预计的要多。

大口径全景巡天望远镜、欧洲空间局的欧几里得空间望远镜和美国国家航空航天局的南希·格雷丝·罗曼空间望远镜等耗资数十亿美元建造的新型观测设备，成功绘制出空前精细的宇宙网图谱，但如果它们因为未考虑反馈引发的物质迁移而导致对暗物质和暗能量的测量存在缺陷，那将是灾难性的。

因此，宇宙学家希望星系形成模拟能够覆盖更庞大的体积，以探索与实验相关的宇宙网尺度。

星系形成模拟现在能够产生逼真的星系，因此我们可以将其视为“数值实验室”，用以研究特定物理过程对星系的影响。这对我们是巨大的帮助，因为我们毕竟无法像化学家在实验室中所做的那样拿真实宇宙做实验，我们不能命令现实中的星系关闭它的黑洞或停止产生超新星，但可以在模拟中做到这一点。

下展示了数值实验的案例。在我的团队进行的辛巴宇宙流体动力学模拟中，包含了恒星反馈和黑洞喷流反馈（结果对应淡灰色线），我们能够很好地复现整个宇宙时间内观测到的恒星形成率密度（黑点）。然后，我们运行了一个模型，关闭其中的黑洞喷流反馈机制，以查看宇宙将会有多大不同。这个模型在最初的几十亿年看起来很正常，但后来却严重偏离现实（从上往下第二条曲线），因为大质量星系的恒星形成活动未被有效抑制，其星系形成效率过高。最后，我们关闭了所有反馈，结果在所有宇宙时期都形成了过多的恒星（对应颜色最深的曲线），出现了典型的过冷问题。

宇宙恒星形成率密度从大爆炸到现在的变化。在2000年左右，模拟中未包含反馈机制，如最上面的线条所示，形成的恒星数量远远超过观测值（黑点），这正是过冷问题的体现。在2010年左右的模拟中，添加了恒星反馈但尚未包含黑洞喷流反馈（从上往下第二条曲线），这类模拟虽然抑制了早期恒星形成并解决了星系核球过大的问题，但在宇宙时间的后半段仍然不成功。最后，在2020年左右，颜色最淡的线条展示了辛巴宇宙流体动力学模拟的结果，其中包含了恒星反馈和黑洞喷流反馈。结果与实际观测非常吻合，并产生了与真实宇宙相当一致的星系族群。这张图生动诠释了过去20多年来星系形成模拟在构建逼真的星系宇宙方面所取得的显著进展。

上图概括了过去20多年里星系形成模拟的巨大进步。这张图表面看起来可能只是几条曲线的微小偏移，但实现这一进步需要大量新的物理输入、改进的算法和繁琐的试错过程，研究者无数次迈进痛苦的死胡同，喝下了不计其数的咖啡因饮料。

或许整个探索历程带来的最持久启示，便是宇宙万物间深刻的互联性。发生在不足1光年尺度上的过程（如恒星与黑洞的形成），竟能对数百万光年尺度上的宇宙网物质分布产生决定性影响。

这种跨越如此大尺度的紧密联系，在科学领域几乎前所未见，而星系形成研究正处于这一谜题的核心。这比其他任何事情都更能说明：破解星系形成之谜，正是理解宇宙为何呈现如今面貌的关键钥匙。

你能看出下图中的两个星系孰真孰假吗？

辨别真伪！其中一个是真实环境中的反馈效应项目的放大模拟生成的银河系大小的星系，另一个是真实星系NGC1803。此对比旨在展示当今的放大模拟已达到“以假乱真”（左假右真）的视觉效果。

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