計算機模擬助力探索宇宙

近日，有國際科學團隊發佈了名為“Uchuu”的“虛擬宇宙”。該模擬覆蓋了約96億光年尺度上的宇宙區間，時間上則橫跨宇宙誕生至今的絕大部分歷史，是迄今為止對宇宙的最先進模擬之一。

虛擬宇宙實際上是一種定量的計算機模擬。通過檢索模擬數據，可以獲取任何時間點上的模擬星系的信息和演化過程，也可以對其進行統計上的數據分析。計算機模擬是現代宇宙學研究不可或缺的手段。目前已推斷出，宇宙誕生於130多億年前的大爆炸。但在這之後，混沌的火球中如何形成銀河系、太陽系、地球，其間又要經歷多少時間和哪些過程？這些問題有的較為容易通過理論來推算，但大部分過程都過於複雜，以至於推算精度非常有限。因此，從基本原理出發模擬一個虛擬宇宙，並從中定量提取信息，是當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和暗能量，它們如同大洋深處一樣幽暗，人類從望遠鏡中看到的遙遠星系就如同在深海中飄蕩的漁船燈火。因此，一個數值構成的虛擬宇宙可以作為觀測數據與基本原理之間的橋樑。

在無盡的宇宙空間裏，模擬出百億年中發生的故事又談何容易。諾貝爾物理學獎得主詹姆斯·皮布爾斯在1976年發表文章，介紹使用數值計算來模擬宇宙時，僅能使用1500個粒子表示物質分佈。隨着超級計算機時代的開啓，宇宙學模擬規模大幅提高，在上世紀90年代到達幾百萬個粒子，覆蓋幾百萬光年的空間，開始進入到宇宙的尺度。近年來，隨着模擬精度不斷提高，科學家藉此基本理清了宇宙物質結構等級形成的規律，大致梳理出宇宙中大尺度纖維狀結構、團狀結構以及各類星系的形成過程。

如今的“Uchuu”項目，藉助超級計算機“富嶽”和ATERUI II，模擬規模高達2.1萬億個粒子，每個粒子代表了幾百萬太陽質量的宇宙物質。儘管這聽起來依舊龐大，但和浩瀚無垠的宇宙相比，已算得上是相當精確的模擬，所生成的數據量高達4PB。如此極端的設定也是為了匹配精確宇宙學時代的巡天計劃，藉助於巡天望遠鏡的廣闊視野範圍，這些計劃甚至準備收錄下宇宙中大部分的星系。由此，針對超級計算機匹配的模擬軟件、數據分析和後期處理技術也起到了關鍵作用。

中國超算在設計和底層硬件架構上與美日等國有諸多不同，在數值計算的一些方向上同樣值得期待。日前，針對宇宙黎明時期，國家天文台依託中科先導一號計算機完成了和“Uchuu”同樣規模的模擬，並依靠國產加速部件實現了更高的分辨率。此外，基於中國空間站工程巡天望遠鏡的國內計算宇宙學聯合團隊，在國家超級計算崑山中心部署了涵蓋全面的模擬系列。隨着下一代超算系統揭開面紗，未來的旗艦級模擬將向着規模更大、解析能力更強更精密的方向發展，幫助人們理解更小的宇宙結構等級，認識其演變過程，探索更多關於宇宙的未知之謎。

（作者為中國科學院國家天文台副研究員）