不明覺厲：啥是宇宙學計算機模擬？ 為探索宇宙提供新方向！

審核專家：鄭遠攀

鄭州輕工業(yè)大學教授

宇宙，總是寄托著人們許多奇幻而旖旎的思索，是《三體》中那片勃勃生機，包容各類文明存在的空間；是《星際穿越》中的那個良夜，是凝滯時間但傳遞愛意的神秘存在；是《宇宙探索編輯部》中那個寄托孤獨的荒誕而瘋狂的夢境。

來源丨pexels

那片遙遠而神秘的未知空間似乎包含著一切可能，而在向宇宙邁進的每一步都使人欣喜若狂。在眾多宇宙學神秘問題中，物質(zhì)分布和宇宙演化是兩個關鍵環(huán)節(jié)。為了更好地理解宇宙的演化過程，科學家們開展了迄今為止最大規(guī)模的宇宙學計算機模擬——FLAMINGO(FLow of AMmonia IN the Galaxy and Other galaxies)。

什么是新一代超強計算機模擬

FLAMINGO超級計算機模擬是基于宇宙中的所有成分——普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量進行計算的，目的是研究宇宙中的物質(zhì)是如何根據(jù)物理定律進行演化。項目匯集了來自英國達勒姆大學、荷蘭萊頓大學和英國利物浦約翰摩爾斯大學的研究人員，他們希望通過超級計算機的模擬，將虛擬宇宙與實際觀測結(jié)果進行對比，以檢驗宇宙學標準模型的準確性。

以前沒有這類模擬嗎？這就要涉及到一個底層觀念的變化。過去用于比較宇宙觀測結(jié)果的超級計算機模擬主要集中在暗物質(zhì)上，科學家們認為它是宇宙結(jié)構(gòu)的關鍵組成部分。然而，現(xiàn)在科學家家們認為，要了解宇宙是如何演化的，還必須考慮到普通物質(zhì)（占宇宙所有物質(zhì)的 16%）的影響。

FLAMINGO首席研究員、萊頓大學的Joop Schaye教授表示：“盡管暗物質(zhì)主導著引力，但普通物質(zhì)的貢獻不能再被忽視，因為這種貢獻可能類似于模型與觀測之間的偏差。”可以說新一代超級計算機的運用支撐起了對宇宙觀察視角的一次躍進。

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而普通物質(zhì)帶來的偏差，不僅來自于引力作用，還來自氣體壓力等其他力量的影響。這些力量可能導致普通物質(zhì)從星系中被噴出或被重新吸收，從而影響星系的形成和演化。這些過程一般很難預測，因為它們?nèi)Q于星系內(nèi)部的爆炸，比如活躍的黑洞和超新星。為了模擬這些過程，天文學家需要用一臺強大的運算機器來校準模型的參數(shù)，使得模擬的結(jié)果能夠與觀測到的星系質(zhì)量和星系團中的氣體分布相一致。

宇宙的重要參數(shù)

在科學界的視野中，宇宙的屬性是由一些被稱為“宇宙學參數(shù)”的數(shù)字決定的，這些參數(shù)包括宇宙的密度、膨脹速率、宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background，CMB）的特性等。

在研究宇宙時，天文學家有時會使用S8(Sigma-8) 參數(shù)，它基本上表征了我們宇宙中所有物質(zhì)的“塊狀”或強烈聚集程度，可以通過低紅移觀測來精確測量。比如，天文學家用紅移來測量一個天體距離地球有多遠，而像 "弱引力透鏡測量 "這樣的低紅移研究可以揭示在遙遠的、更古老的宇宙中發(fā)生的事情。

來源丨Flamingo Virgo Consortium

同時，S8參數(shù)也可以用宇宙學標準模型來預測；科學家們基本上可以調(diào)整該模型，使其與CMB的已知特性相匹配，并由此計算出物質(zhì)的塊度。

在實驗中，科學家發(fā)現(xiàn)S8與弱引力透鏡測量結(jié)果存在差異，他們稱之為“S8張力”。但是，新一代計算機模擬沒有為S8張力產(chǎn)生的原因提供答案。

這種差距對于科學研究來說，是個大問題。因為新一代計算機本身已經(jīng)考慮到了普通物質(zhì)的存在以及一些最極端的銀河風，但是依然不足以解釋當今宇宙中觀察到的弱物質(zhì)聚集。

然而神奇的是，在CMB和低紅移測量之間探測宇宙結(jié)構(gòu)的測量結(jié)果與標準模型預測完全一致，這似乎說明在宇宙歷史的很大一部分時間里，宇宙的演化符合預期，但后來宇宙發(fā)生了一些變化。

所以，總的來說FLAMINGO超級計算機模擬的成果有助于科學家們更深入地了解宇宙學標準模型的準確性，以及普通物質(zhì)和暗物質(zhì)在宇宙演化過程中的作用，為未來的宇宙學研究提供了新的方向。

充分利用FLAMINGO超級工具

隨著科技的不斷進步，計算機模擬在宇宙學領域的作用愈發(fā)重要。通過更高精度的模擬，科學家們有望進一步揭示宇宙的起源、演化和命運。

FLAMINGO 項目作為這一探索過程中的重要里程碑，展示了人類在探尋宇宙奧秘之路上的決心和智慧。

宇宙學涉及大量復雜的物理定律和模型，高性能計算有助于科學家們更準確地模擬宇宙的演變過程。FLAMINGO快速處理大量數(shù)據(jù)，滿足宇宙學研究中對高精度計算的需求。

FLAMINGO是有史以來用普通物質(zhì)完成的最大的宇宙計算機模擬，是在一個邊長為100億光年的立方體體積中使用了3000億個分辨率元素(具有小星系質(zhì)量的粒子)。萊頓大學的Matthieu Schaller說:“為了使這種模擬成為可能，我們開發(fā)了一種新代碼SWIFT(Simulating the Wider and Interconnected Future of The universe)，它可以有效地將計算工作分配到多達3萬個CPU上。”

來源丨space.com

因此FLAMINGO具備了精細的模擬效果能力，通過這種能力，我們可以實現(xiàn)對宇宙中各種成分，如暗物質(zhì)、暗能量、普通物質(zhì)等的精細模擬，重現(xiàn)宇宙中行星、恒星和星系的形成與演化過程。這有助于科學家們深入探究宇宙的起源、演化和結(jié)構(gòu)，解答宇宙中的諸多謎團。

總之，F(xiàn)LAMINGO 超級計算機模擬為宇宙學研究提供了一個強大的工具，有助于揭示宇宙的演化過程和物質(zhì)分布。通過對普通物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量的深入研究，科學家們將進一步破解宇宙學的奧秘，為人類解鎖宇宙的神秘面紗。在這個充滿挑戰(zhàn)和機遇的領域，我國科學家也將繼續(xù)努力，為探索宇宙的邊界和奧秘貢獻自己的力量。