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计算机模拟助力探【tan】索宇「yu」宙

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近日,有国际科学团队发布了名为“Uchuu”的“虚拟宇宙”。该模拟覆盖了约96亿光年尺度上的宇宙区间,时间上则横跨宇宙诞生至今的绝大部分历史,是迄今为止对宇宙的最先进模拟之一。

虚拟宇宙实际上是一种定量的计算机模拟。通过检索模拟数据,可以获取任何时间点上的模拟星系的信息和演化过程,也可以对其进行统计上的 de[数据分析。计算机模拟是现代宇宙学研究不可或缺的手段。目前已推断出,宇宙诞生于130多亿年前的大爆炸。但在这之后,混沌的火球中如何形成银河系、太阳系、地球,其间又要经历多少时间和哪些过程?这些问题有的较为容易通过理论来推算,但大部分过程都过于复杂,以至于推算精度非常有限。因此,从基本原理出发模拟一个虚拟宇宙,并从中定量提取信息,是当前科研的重要方式之一。此外,宇宙的绝大部分组成是暗物质和暗能量,它们如同大洋深处一样幽暗,人类从望远镜中看到的遥远星系就如同在深海中飘荡的渔船灯火。因此,一个数值‘zhi’构成的虚拟宇宙《zhou》可以作为观测数据与基本原理之间的桥梁。

在无尽的宇宙『zhou』空间里,模拟出百亿年中「zhong」发生的故事又谈何容易。诺贝尔物理学奖得主詹姆斯皮布尔斯在1976年发「fa」表文章,介绍使用数值计算来模拟宇宙时,仅能使用1500个粒子表示物质分布。随着超级计算机时代的开启,宇宙学模拟规模大幅提高,在上世纪90年代到达几百万个粒子,覆盖几百万光年的空间,开始进入到宇宙的尺度。近年来,随着模拟精度不断提高,科学家借此基本理清了宇宙物质结构等级形成的规律,大 da[致梳理出宇宙中大尺度纤维状结构、团状结构以及各类星系的形成过程。

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如今的“Uchuu”项目,借助超级计算机“富岳”和ATERUI II,模拟规模高达「da」2.1万亿个(ge)粒子,每个粒子代表了几百万太阳质量的宇‘yu’宙物质。尽管这听起来依旧庞大,但和浩瀚无垠的宇宙相比,已算得上是相当精确的模拟,所生成的数据量高达4PB。如此极端的设定也是为了《liao》匹配〖pei〗精确宇宙学时代的巡天计划,借助于巡天望远镜的广阔视野范围,这些计划甚至准备收录下宇宙中〖zhong〗大部分的星系。由此,针对超级计算机匹配的模拟软件、数据分析和后期处理技术也起到了关键作用。

中国超算在设计和底层硬件架构上与美日等国有诸多不同,在数「shu」值计算的一些方向上同样值得期待。日前,针对宇宙黎明时期,国家天文台依托中科先导一号计算机完成了和“Uchuu”同样『yang』规模的模拟,并依靠国产加速部件实现了更‘geng’高的分辨率。此外,基于中国空间站工程巡天望远{yuan}镜的国内计算宇宙学联合团队,在国家超级计算昆山中心部署了涵盖全面的模拟系列。随着下一代超算系统揭开面纱,未来的旗舰级模拟将向着规模更大、解析能力更强更精密的方向发展,帮助人们理解更小的宇宙结构等级,认识其演变过程,探索更多关于宇宙的未知之谜。

(作者为中国科学院国家天文台副研究员)

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