中國科學(xué)家領(lǐng)銜國際團(tuán)隊(duì)構(gòu)建出數(shù)字虛擬宇宙

近日，由中國科學(xué)家領(lǐng)銜的國際團(tuán)隊(duì)發(fā)布超大規(guī)模宇宙學(xué) N 體模擬項(xiàng)目“千衍”（HyperMillennium）的首批研究成果，該模擬在邊長約120億光年的宇宙空間尺度上，使用約4.2萬億個(gè)暗物質(zhì)粒子，通過 N 體模擬技術(shù)，高精度追蹤暗物質(zhì)在宇宙演化過程中的聚集和結(jié)構(gòu)形成，并輸出100個(gè)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(shù)字導(dǎo)引圖譜。

此次發(fā)布的“千衍”模擬從大爆炸之后的宇宙早期開始，通過計(jì)算宇宙中物質(zhì)的引力作用，高精度模擬再現(xiàn)了百億年尺度上宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成與演化過程。借助星系形成半解析模型，“千衍”模擬還可生成星系星族、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(shí)際觀測進(jìn)行比較，將為研究暗物質(zhì)、暗能量等基礎(chǔ)宇宙學(xué)問題提供重要支撐，深化對星系演化規(guī)律的認(rèn)知。同時(shí)，模擬數(shù)據(jù)也將為中國空間站巡天望遠(yuǎn)鏡（CSST）、歐洲空間局歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡（Euclid）等大型巡天項(xiàng)目提供重要的科學(xué)支撐。

宇宙學(xué)數(shù)值模擬是國際超級計(jì)算機(jī)平臺上的核心科學(xué)應(yīng)用，這類模擬往往需要長期占用大規(guī)模超算資源，其超大規(guī)模、超長運(yùn)行時(shí)間所帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)也是宇宙學(xué)與高性能計(jì)算交叉領(lǐng)域的重要研究方向。“千衍”模擬使用了由國家天文臺團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的軟件PhotoNs，該軟件面向國產(chǎn)自主超算平臺進(jìn)行了深度優(yōu)化。經(jīng)過數(shù)年攻關(guān)，團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了在上萬張加速卡上進(jìn)行長時(shí)間高效穩(wěn)定計(jì)算的能力。這也表明我國在宇宙學(xué)與高性能計(jì)算交叉融合方面取得重要突破。

美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Mike Boylan-Kolchin教授評價(jià)：“我們正進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代：對巨大宇宙學(xué)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(zhì)的理解。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們需要與之匹配的先進(jìn)理論工具。‘千衍’模擬是一項(xiàng)計(jì)算奇跡，將幫助我們從宇宙觀測中揭示基礎(chǔ)物理規(guī)律。它在模擬體積和質(zhì)量分辨率的覆蓋范圍上前所未有，使我們能夠詳細(xì)預(yù)測大量相對常見星系在宇宙網(wǎng)中的分布方式，也能研究那些本身罕見且富有研究價(jià)值、但在較小體積模擬中難以觸及的天體的性質(zhì)。未來多年里，‘千衍’模擬都將成為星系形成和宇宙學(xué)研究領(lǐng)域的重要標(biāo)志性成果。”

德國馬普天體物理研究所所長Volker Springel教授表示：“‘千衍’模擬重新定義了當(dāng)今數(shù)值宇宙學(xué)所能達(dá)到的水平。該團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)這一超大規(guī)模、高精度的模擬，令我印象極為深刻。其強(qiáng)大的統(tǒng)計(jì)效能使我們能夠?qū)?ΛCDM 宇宙學(xué)模型開展新的高精度檢驗(yàn)，這對該領(lǐng)域而言非常重要。”

“千衍”模擬項(xiàng)目首篇學(xué)術(shù)論文近日已在國際學(xué)術(shù)期刊《皇家天文學(xué)會月刊》（MNRAS）正式發(fā)表。論文以著名大質(zhì)量并合星系團(tuán)阿貝爾2744為研究對象，檢驗(yàn)了“千衍”模擬研究極端稀有天體的能力。距離地球約 40 億光年的阿貝爾 2744 由多個(gè)星系團(tuán)碰撞并合而成，結(jié)構(gòu)極端復(fù)雜，是檢驗(yàn)宇宙學(xué)模型的重要樣本。研究團(tuán)隊(duì)從模擬中篩選出與阿貝爾 2744 相似的類比體，并生成類 JWST 觀測圖像和引力透鏡質(zhì)量分布圖。基于像素統(tǒng)計(jì)的比較顯示，在考慮觀測選區(qū)偏差后，模擬類比體與 JWST 觀測結(jié)果在星系數(shù)密度、光度密度和投影質(zhì)量密度分布上高度一致。結(jié)果表明，即便在高度非線性、結(jié)構(gòu)極端復(fù)雜的星系團(tuán)環(huán)境中，ΛCDM 標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型仍能給出與觀測相符的描述。

中國科學(xué)院國家天文臺王喬研究員、李明副研究員為論文共同第一作者并共同通訊作者，郭琦教授為共同第一作者；高亮教授為通訊作者，負(fù)責(zé)項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)與研究推進(jìn)。研究團(tuán)隊(duì)成員中包括多位邵逸夫獎和格魯伯宇宙學(xué)獎獲得者。

“千衍”模擬依托中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心“東方”（ORISE）超級計(jì)算機(jī)完成，得到中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。項(xiàng)目軟件開發(fā)與測試得到國家超級計(jì)算鄭州中心支持，首批數(shù)據(jù)計(jì)劃后續(xù)通過國家天文科學(xué)數(shù)據(jù)中心向全球發(fā)布。

論文 DOI：10.1093/mnras/stag540

來源：中國科學(xué)院國家天文臺

（本文編輯：劉四旦）

專業(yè)品質(zhì) 學(xué)術(shù)價(jià)值

原創(chuàng)好讀 科學(xué)品位

一起閱讀科學(xué)