史上最大的模擬宇宙

知識 06-14

來自蘇黎世大學的研究者已經利用大型超級計算機模擬出了整個宇宙的形成。從2萬億數字粒子產生了約250億個虛擬星系。這些星系的目錄已經被用於校準歐幾里得衛星上進行的實驗，這個衛星將於2020年發射，目的是調查暗物質和暗能量的本質。

經過三年的努力，一組蘇黎世大學的天體物理學家研發並優化了一個革命性的代碼，以前所未有的準確性描述暗物質的動態和宇宙大規模結構的形成。正如Joachim Stadel、 Douglas Potter以及Romain Teyssier在他們近期發表的論文中所稱，該代碼(被稱為PKDGRAV3)被設計出來最好地利用現代超級計算機架構的可用存儲和處理能力，比如瑞士國家計算中心(CSCS)的Piz Daint超級計算機。該代碼只在這台世界領先機器上運行了80小時，產生了具有2萬億表示暗物質流的宏觀粒子的虛擬宇宙，從中提取出了250億虛擬星系的目錄。

史上最大的模擬宇宙
credit: 煎蛋第18位畫師PAX-12

研究暗宇宙的構成

由於他們的高精度計算，展示了暗物質流在自身引力下的演變，研究者模擬了小型物質集中的形成，被稱為暗物質暈。通常我們認為類似銀河系的星系就是從暗物質暈形成而來的。這種模擬的挑戰在於在十分之一銀河系那麼小的星系中模擬整個可見宇宙。這也是由歐洲歐幾里得任務設置的要求。該任務的主要目標是探索宇宙的黑暗面。

測量微小的畸變

的確，大約95%的宇宙都是黑暗的。宇宙由23%的暗物質和72%的暗能量構成。蘇黎世大學計算天體物理教授Romain Teyssier說道：「暗能量的本質仍然是現代科學中有待解決的主要難題之一。」這個難題只能通過間接觀測破解：當歐幾里得衛星在大面積天空中捕捉數十億星系的光線，天文學家們將測量由前景不可見質量分布——暗物質引起的背景星系光線偏轉產生的微小畸變。蘇黎世大學計算科學研究所的Joachim Stadel說道：「這類似於稍微不平坦的玻璃板對光的扭曲。」

優化衛星的觀測策略

這個新的虛擬星系目錄將幫助這個衛星在2020年開始6年數據收集之前，優化歐幾里得實驗的觀測策略，最小化各種誤差源。

Stadel說道：「歐幾里得將進行我們宇宙的層析成像，追溯宇宙過去100多億年的進化。」根據歐幾里得數據，研究者將獲得關於神秘暗能量本質的信息，但還希望發現標準模型之外的新物理，比如修正版本的廣義相對論或者新類型的粒子。

論文原文：DOI: 10.1186/s40668-017-0021-1

本文譯自 phys，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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