近日，有國(guó)際科學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)布了名為“Uchuu”的“虛擬宇宙”。該模擬覆蓋了約96億光年尺度上的宇宙區(qū)間，時(shí)間上則橫跨宇宙誕生至今的絕大部分歷史，是迄今為止對(duì)宇宙的最先進(jìn)模擬之一。
虛擬宇宙實(shí)際上是一種定量的計(jì)算機(jī)模擬。通過(guò)檢索模擬數(shù)據(jù)，可以獲取任何時(shí)間點(diǎn)上的模擬星系的信息和演化過(guò)程，也可以對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)上的數(shù)據(jù)分析。計(jì)算機(jī)模擬是現(xiàn)代宇宙學(xué)研究不可或缺的手段。目前已推斷出，宇宙誕生于130多億年前的大爆炸。但在這之后，混沌的火球中如何形成銀河系、太陽(yáng)系、地球，其間又要經(jīng)歷多少時(shí)間和哪些過(guò)程？這些問(wèn)題有的較為容易通過(guò)理論來(lái)推算，但大部分過(guò)程都過(guò)于復(fù)雜，以至于推算精度非常有限。因此，從基本原理出發(fā)模擬一個(gè)虛擬宇宙，并從中定量提取信息，是當(dāng)前科研的重要方式之一。此外，宇宙的絕大部分組成是暗物質(zhì)和暗能量，它們?nèi)缤笱笊钐幰粯佑陌担祟?lèi)從望遠(yuǎn)鏡中看到的遙遠(yuǎn)星系就如同在深海中飄蕩的漁船燈火。因此，一個(gè)數(shù)值構(gòu)成的虛擬宇宙可以作為觀測(cè)數(shù)據(jù)與基本原理之間的橋梁。
在無(wú)盡的宇宙空間里，模擬出百億年中發(fā)生的故事又談何容易。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主詹姆斯·皮布爾斯在1976年發(fā)表文章，介紹使用數(shù)值計(jì)算來(lái)模擬宇宙時(shí)，僅能使用1500個(gè)粒子表示物質(zhì)分布。隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)時(shí)代的開(kāi)啟，宇宙學(xué)模擬規(guī)模大幅提高，在上世紀(jì)90年代到達(dá)幾百萬(wàn)個(gè)粒子，覆蓋幾百萬(wàn)光年的空間，開(kāi)始進(jìn)入到宇宙的尺度。近年來(lái)，隨著模擬精度不斷提高，科學(xué)家借此基本理清了宇宙物質(zhì)結(jié)構(gòu)等級(jí)形成的規(guī)律，大致梳理出宇宙中大尺度纖維狀結(jié)構(gòu)、團(tuán)狀結(jié)構(gòu)以及各類(lèi)星系的形成過(guò)程。
如今的“Uchuu”項(xiàng)目，借助超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”和ATERUI II，模擬規(guī)模高達(dá)2.1萬(wàn)億個(gè)粒子，每個(gè)粒子代表了幾百萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量的宇宙物質(zhì)。盡管這聽(tīng)起來(lái)依舊龐大，但和浩瀚無(wú)垠的宇宙相比，已算得上是相當(dāng)精確的模擬，所生成的數(shù)據(jù)量高達(dá)4PB。如此極端的設(shè)定也是為了匹配精確宇宙學(xué)時(shí)代的巡天計(jì)劃，借助于巡天望遠(yuǎn)鏡的廣闊視野范圍，這些計(jì)劃甚至準(zhǔn)備收錄下宇宙中大部分的星系。由此，針對(duì)超級(jí)計(jì)算機(jī)匹配的模擬軟件、數(shù)據(jù)分析和后期處理技術(shù)也起到了關(guān)鍵作用。
中國(guó)超算在設(shè)計(jì)和底層硬件架構(gòu)上與美日等國(guó)有諸多不同，在數(shù)值計(jì)算的一些方向上同樣值得期待。日前，針對(duì)宇宙黎明時(shí)期，國(guó)家天文臺(tái)依托中科先導(dǎo)一號(hào)計(jì)算機(jī)完成了和“Uchuu”同樣規(guī)模的模擬，并依靠國(guó)產(chǎn)加速部件實(shí)現(xiàn)了更高的分辨率。此外，基于中國(guó)空間站工程巡天望遠(yuǎn)鏡的國(guó)內(nèi)計(jì)算宇宙學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，在國(guó)家超級(jí)計(jì)算昆山中心部署了涵蓋全面的模擬系列。隨著下一代超算系統(tǒng)揭開(kāi)面紗，未來(lái)的旗艦級(jí)模擬將向著規(guī)模更大、解析能力更強(qiáng)更精密的方向發(fā)展，幫助人們理解更小的宇宙結(jié)構(gòu)等級(jí)，認(rèn)識(shí)其演變過(guò)程，探索更多關(guān)于宇宙的未知之謎。
（作者王 喬，為中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副研究員）
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