周末福利(补):星系演化半解析模型实现-Galacticus

(这周末国家天文台的Lamost服务器停电维护,因而网站未能及时更新,这里我们把这个周末想给大家介绍的福利补回来;以后我们也会更频繁的利用周末时间给大家介绍一些天体物理研究中常用的或者新出现的有用工具,从数据库到软件,关于这部分内容,也欢迎大家投稿,或者给我们提供“线索”)

(这周来自Caltech的天文学家Andrew Benson到Carnegie访问并做了报告介绍他在半解析模型方面的工作,Andrew来自于星系半解析模型一大流派Durham大学,当年是Carlos Frenk和Simon White的得意弟子;他介绍的Galacticus是一个很复杂的星系半解析模型的代码实现,有着非常广泛的用途,这里面给感兴趣同学简单的介绍一下)

文章: Galacticus:星系半解析模型代码

(那个。。是不是国内打不开GoogleSite啊,那大家试试这里吧)

在研究星系形成和演化上,天体物理学家们主要使用了两种工具辅助他们理解观测和具体的物理过程,这就是数值模拟和半解析模型(SAM Analytical Model);相比大家一定看过数值模拟得到的各种美好的小电影吧,的确,数值模拟从70年代开始就在帮我们不断的加深对宇宙演化和星系形成的理解,并不断的提供给我们对理论的更好的可视化。但是数值模拟显然不是万能的,一方面,随着模拟规模的扩大,分辨率的提高,物理过程的复杂化,对计算机的要求也不断提高,在实际操作上,真正意义上的宇宙学模拟是极其昂贵的技术;而且,在具体的算法上,模拟还有很多需要改进的地方,比如SPH流体模拟中对于激波区域和各种流体不稳定性的模拟已经被发现是一个潜在的问题;另一个方面上看,真正的宇宙学模拟还是不能直接的帮助我们研究各种可观测的星系性质的演化,在现今的模拟文章中,很流行的方法是利用宇宙学模拟提供的Halo信息,选择一些有代表性的Halo,提高分辨率并加入更真实的物理过程进行再模拟,来重现星系重子物质成分的各种性质,但是这样的模拟在多大程度上具有代表性,加入的物理过程究竟如何起作用等等,并不是很好回答。这也是为什么需要几乎和模拟同时发展起来的半解析模型技术给了天文学家帮助。简单的说,半解析模型就是一组庞大的公式,每个公式从解析的或者经验的角度描述了星系演化过程中某个物理细节,整个模型建立在利用解析方法(Press-Schecter或者Sheth-Tolman的方法)建立或者从大型的暗物质宇宙学模拟中提取的暗物质晕并和历史信息(Merger Tree)之上。

争论模拟和半解析模型到底哪个更有用,就像是争论Vi和Emacs哪个是最好的编辑器一样属于牛人们茶余饭后消遣时光的话题,对于希望认真学习星系形成演化的同学来说,需要理解的是半解析模型和模拟一样,是一种结合观测经验的对星系演化的理论化描述;和模拟相比,在实际操作层面,他能够结合模拟的结果,并更有效率的给出各种星系的物理性质的演化,也就是计算上更加“便宜”,在报告中Benson展示的一个相当大规模的半解析模型计算结果是在32 CPU上用10天时间完成的,这个速度听上去不快,但相比于相同量级的模拟可以算是神速了;此外,半解析模型天生的“模块化”设计,使得物理过程的添加和更改都相对容易,这些物理过程往往在模拟中属于黑箱操作或者也是按照经验模型硬性的添加进去的,相比之下,半解析模型更容易给出各种物理过程的描述对最终计算结果的影响,在给理论研究带来更大灵活程度的同时,也使得各种内在一致性和可靠性的检查更加容易。

这个内在一致性检查的问题,也是对于模拟最大的挑战,这也是我来Carnegie之后在平常的讨论中和真正做模拟的人学到的最重要的东西,就是现在各种数值模拟普遍缺乏一个真正意义上的可靠性检查,各家都有自己的code,自己的算法,很多还不完全公开,对待不同的细节有不同的处理,这些处理到底在什么上影响着最后的计算结果,并不是那么的清楚。在这个问题上面,显然半解析模型有着自己的长处。

在过去20多年的发展中,半解析模型逐渐发展出了几个主要的流派,分别以他们所在的研究单位命名,比如Durham,Munich和Santa Cruz就是现在发展出的三个比较引人瞩目的半解析模型“流派”;以往的半解析模型代码往往都是深藏不露的,直到最近几年,我们才可以看到像Galacticus这样完整的,开源的半解析模型代码出现在了网络上,供认真的星系演化爱好者们把玩;Andrew Benson毕业于英国Durham大学,也是其半解析模型的主要作者之一,当年据说是少数的同时被两位大牛Carlos Frenk和Simon White看好的学生之一,其工作一向是谨慎负责,在报告中,Andrew也极其耐心的解释了半解析模型需要解决的问题和需要进行的各种“Sanity check”,他表示,把代码开源出来也是为了更好的接受同行的检查和做出更好的改进。


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最新版本的Galacticus在给出的质量函数和观测的比较:“Not very bad !”

Galacticus模型可以在网上下载到源文件,可执行文件和安装脚本,非常的方便,我自己尝试了在Mac和Linux(Ubuntu)下的安装,无任何问题(Andrew说他甚至遇见过在报告的时候有人下载代码,他报告完人家已经run完了一组测试模型的情况)。在网上可以找到完整的技术手册和各种问题的解释,Andrew甚至还有专门的blogFacebookTwitterGoogle+页面来回答各种问题以及发布更新,这种售后服务态度让人颇为敬佩!(可惜大部分都是被墙掉的。。大家自行处理吧,你懂的。。);关于这个模型的更直观的认识,你可以在Andrew的个人主页上找到更多的介绍,其中还包括了构建Merger Tree的可视化展示,Youtube上还有一个利用Galacticus为CCAT巡天构建的light cone模型的fly-by动画,大家自己探索吧。

至于模型具体的细节,这些就要留给真正有心的同学慢慢研究了,如果你认真的阅读Galacticus的文章和最近的0.91版本给出的结果的话,你会发现,模型本身在对比如光度函数,重子物质的Tully-Fisher关系,黑洞-核球质量关系的估计上,变得真实许多了。

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2 Replies to “周末福利(补):星系演化半解析模型实现-Galacticus”

  1. fangxia

    Firefox 10.0.2 Ubuntu;

    《天文学进展》上有紫台康熙老师写的一篇介绍半解析模型的paper,‘星系形成的半解析模型研究进展Progress on the Semi-Analytical Model of Galaxy Formation’,此外还有富坚去年的10月的一篇paper,都在天文学进展上,我觉得像我这样的菜鸟级学生,可以先看看这两篇paper。

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