宇宙如何形成演化？中國科學家領銜國際團隊發布“千衍”模擬首批成果

（來源：經濟日報）

轉自：經濟日報

近日，由中國科學家領銜的國際團隊對外發布了超大規模宇宙學N體模擬項目“千衍”的首批研究成果：從大爆炸之后的宇宙早期開始，通過計算宇宙中物質的引力作用，“千衍”高精度模擬再現了百億年尺度上宇宙大尺度結構的形成與演化過程。

中國科學院國家天文臺研究員高亮說，科學家們通過天文望遠鏡觀看到的宇宙是一個個短暫的瞬間，但這些瞬間拼湊起來是什么樣的，大家并不清楚。此次模擬在邊長約120億光年的宇宙空間尺度上，使用約4.2萬億個暗物質粒子，高精度追蹤暗物質在宇宙演化過程中的聚集和結構形成，并輸出100個演化階段的模擬快照，為人類探索宇宙奧秘提供了一份高精度數字導引圖譜。

明明現實中就有真實宇宙，為何還要大費周章在計算機里模擬一個“宇宙”？中國科學院國家天文臺副臺長趙公博解釋，很多時候科學家觀測到了某些星際天體，但其背后隱藏著什么樣的物理規律，無從得知。如果這時我們把已知的物理規律告訴計算機，讓計算機根據這些規律去模擬天體的形成演化過程，生成一個虛擬宇宙。然后，再將模擬結果與真實觀測數據進行比對——如果兩者吻合，說明我們對物理規律的理解可能是正確的；如果出現偏差，就暗示背后還有未知的新物理規律等待發現，這樣我們可以更高效地探索真實宇宙的運行奧秘。

“我們正進入一個新時代：對巨大宇宙學體積的巡天觀測，有潛力徹底改變我們對暗能量、宇宙暴脹以及中微子性質的理解。”美國德克薩斯大學奧斯汀分校　Mike Boylan-Kolchin 教授表示，要實現這一目標，我們需要與之匹配的先進理論工具。“千衍”模擬將幫助我們從宇宙觀測中揭示基礎物理規律。它在模擬體積和質量分辨率的覆蓋范圍上前所未有，使我們能夠詳細預測大量相對常見星系在宇宙網中的分布方式，也能研究那些本身罕見且富有研究價值、但在較小體積模擬中難以觸及的天體的性質。未來多年里，“千衍”模擬都將成為星系形成和宇宙學研究領域的重要標志性成果。

據介紹，借助星系形成半解析模型，“千衍”模擬可生成星系星族、光度、顏色、光譜能量分布以及虛擬觀測圖像等信息。通過將高精度虛擬宇宙與實際觀測進行比較，它將為研究暗物質、暗能量等基礎宇宙學問題提供重要支撐，深化人類對星系演化規律的認知。同時，模擬數據也將為中國空間站巡天望遠鏡（CSST）、歐洲空間局歐幾里得空間望遠鏡（Euclid）等大型巡天項目提供重要的科學支撐。

據了解，宇宙學數值模擬是國際超級計算機平臺上的核心科學應用，這類模擬往往需要長期占用大規模超算資源，其超大規模、超長運行時間所帶來的技術挑戰也是宇宙學與高性能計算交叉領域的重要研究方向。“千衍”模擬使用了由國家天文臺團隊自主開發的軟件PhotoNs，該軟件面向國產自主超算平臺進行了深度優化。經過數年攻關，團隊成功實現了在上萬張加速卡上進行長時間高效穩定計算的能力。

“千衍”模擬項目首篇學術論文近日已在國際學術期刊《皇家天文學會月刊》（MNRAS）正式發表。論文以著名大質量并合星系團阿貝爾2744為研究對象，檢驗了“千衍”模擬研究極端稀有天體的能力。結果表明，即便在高度非線性、結構極端復雜的星系團環境中，ΛCDM標準宇宙學模型仍能給出與觀測相符的描述。（經濟日報記者 沈慧）