中國“天河二號”完成宇宙暗物質數值模擬 可推演137億年宇宙歷史
新華網5月13日報道（記者王握文、於冬陽），國家超算廣州中心13日透露，由北京師範大學天文系教授張同傑領銜的宇宙中微子數值模擬團隊，在“天河二號”超級計算機系統上成功完成了3萬億粒子數的宇宙中微子和暗物質數值模擬，揭示了宇宙大爆炸1600萬年之後至今約137億年的漫長演化進程。
張同傑（右一）領銜的研究團隊
有專家指出，這一研究成果為通過天文觀測手段研究宇宙中微子及其質量打開了一扇新的大門，有望大大縮短人類探索宇宙起源與演化奧秘的時間進程，對基礎科學、宇宙環境、地球生態、礦藏勘探等領域的科學研究將起到積極的推動作用。
中微子是自然界中最基本的粒子種類之一，不帶電，運動速度快，目前的物理學實驗和宇宙學觀測都無法測定中微子的絕對質量。但中微子對宇宙早期星系和大尺度結構的形成會產生微弱的抑制作用，後者可以通過大規模宇宙學數值模擬被間接“測量”，從中獲得中微子質量信息。但這種大規模宇宙學數值模擬，必須依賴具有強大計算和存儲能力的超級計算機。
2013年底，國防科技大學研製的世界最快超級計算機“天河二號”在國家超算廣州中心投入運行。由北京師範大學、國防科技大學、加拿大理論天體物理研究所、北京大學、中科院高能物理研究所聯合組成的宇宙中微子數值模擬團隊，經過一系列技術攻關，在“天河二號”上成功進行了3萬億粒子數中微子和暗物質的宇宙學數值模擬。
模擬宇宙中微子和暗物質的分佈圖
據張同傑教授介紹，進行多達3萬億粒子數中微子和暗物質的宇宙學數值模擬，目前世界上只有“天河二號”能擔此重任。它好比一架像素極高的“超高速攝像機”，通過上述模擬還原出宇宙清晰而漫長的演化“視頻”，使宇宙大爆炸1600萬年之後至今約137億年的漫長演化過程得以“呈現”，為通過天文觀測手段測量中微子質量帶來新的契機和希望。
星系團CI 0024+17中的暗物質環（哈勃望遠鏡拍攝後合成，NASA於2007年5月公佈）
張同傑：與更多人一起仰望星空
“透過天文望遠鏡，我們能夠清清楚楚地看見過去，甚至是宇宙誕生後50萬年的圖像。我們所看到的太陽實際上是8分鐘前的太陽。而在太陽系之外，銀河系之外，光要走幾十萬甚至幾百萬年才能到達我們這裏。所以在天文學上距離我們越遠的天體也是宇宙越年輕時誕生的天體。”張同傑談起自己的研究領域來顯得興致勃勃，“在時間上，宇宙的年齡大約是137億年，在空間上，再過10年或者20年，天文學家通過先進的望遠鏡可能把整個宇宙都觀測到。”
張同傑（資料圖）
對於宇宙的形成與演化，目前國際上天體物理學家從理論上進行了各種大膽的推測：前宇宙、平行宇宙……大寒冷型、大擠壓型等等……不一而足。
“理論上我們可以預言的宇宙可能有很多個，但是真實的宇宙只有一個。”近幾年，張同傑帶領他的學生，集中力量在宇宙學的數值模擬方面，開展了弱引力透鏡方面的研究。
遙遠的天體如類星體等發出的光，經過星系、星系團或者宇宙大尺度結構到達我們的望遠鏡的過程中，由於引力場的作用會發生引力偏折，造成該天體或類星體可能會形成幾個像，這就是引力透鏡效應。如果遙遠的天體是一個星系，大尺度結構引力場的擾動就會使星系的形狀發生變化，這就是弱引力透鏡效應。
“我們的研究目的是希望通過對引力透鏡現象的觀測來確定宇宙中這些透鏡體如大尺度結構中具有引力性質的物質所佔的比例。目前能夠觀測到的宇宙中物質成分佔了30%左右，其中包括用一般的電磁波能探測到的重子物質，以及只能間接探測到的暗物質；而另外70%左右則是具有排斥力引起宇宙加速膨脹的暗能量，它是我們目前很難直接觀測到的組成部分，也是宇宙中我們最不清楚其性質的宇宙組成部分。”
在銀河系、星系團和大尺度結構形成的過程中，它們是從早期很小的密度擾動，經過了引力不穩定性慢慢從線性演化階段到非線性演化階段而逐漸形成的。在經過非線性階段的時候，會損失很多信息。張同傑和學生們通過小波技術，利用數值模擬出的圖像，能有效找回損失掉的信息，“找回的信息越多，我們對宇宙的理解也就越清楚，這是我們最近幾年做的非常有意義的工作。”他和研究生於浩然關於這方面最近的研究成果已經在國際著名刊物《天體物理》雜誌上發表。
另外，他們從2006年以來，一直堅持研究一項國際前沿問題，即利用哈勃參量數據對宇宙學模型進行限制。宇宙學參量就是指宇宙中物質、暗能量等的數據情況。在張同傑科研團組做這項工作之前，美國有一個小組，通過利用星系的年齡而得到的數據，對標量場的勢進行了限制，但是他們沒有把這批數據用在宇宙學參量的限制上。
“我們是國際上第一個把這批數據應用在宇宙學參量限制上的科研團組，現在國際上很多這方面的研究同行都在關注我們的這項工作的成果，所以引用率很高。”
張同傑研究團隊的成果雖然現在還不是國內天文學界最多最好的，但是他們一直在腳踏實地地努力着，瞄準國際前沿，不斷探索着宇宙學的奧秘。他就像一個執著的守望者，用自己的思索和發現，試圖揭開那片星空的神秘面紗，讓大眾認識一個真實的宇宙。
（觀察者網綜合新華網、北師大校報2011年11月10日周雪梅羅雪峯報道）