计算机模拟有助于探索宇宙

最近，一个国际科学团队发布了一个名为“Uchuu”的“虚拟宇宙”。该模拟覆盖了约96亿光年尺度的宇宙间隔，跨越了宇宙诞生以来的大部分历史，是迄今为止最先进的宇宙模拟之一。

虚拟宇宙实际上是一个量化的计算机模拟。通过搜索模拟数据，我们可以获得模拟星系在任何时间点的信息和演化过程，并对其统计数据进行分析。计算机模拟是现代宇宙学研究不可或缺的手段。据推断，宇宙诞生于130多亿年前的大爆炸。但在那之后，银河系、太阳系和地球是如何在混沌的火球中形成的，又花了多少时间和什么过程？其中有些问题理论上很容易计算，但大多数过程过于复杂，导致计算精度非常有限。因此，从基本原理出发模拟虚拟宇宙，并从中定量提取信息，是当前科学研究的重要途径之一。此外，宇宙的绝大部分是由暗物质和暗能量组成的，它们和海洋深处一样黑暗。人类通过望远镜看到的遥远星系，就像漂浮在深海中的渔船灯光。因此，由数值组成的虚拟宇宙可以作为观测数据和基本原理之间的桥梁。

在无尽的空间里，模拟一百亿年发生的故事并不容易。诺贝尔物理学奖得主詹姆斯皮布尔斯(James peebles)在1976年发表了一篇文章，介绍在通过数值计算模拟宇宙时，只有1500个粒子可以用来表示物质的分布。随着超级计算机时代的开启，宇宙学模拟的规模大大增加。90年代达到百万粒子，覆盖百万光年，开始进入宇宙尺度。近年来，随着模拟精度的不断提高，科学家们基本阐明了宇宙中物质结构层次的形成规律，粗略梳理了宇宙中大尺度纤维状结构、团簇结构和各种星系的形成过程。

今天的“乌楚”项目，借助超级计算机“福越”和ATERUI II，模拟了2.1万亿个粒子，每个粒子代表数百万个太阳质量的宇宙物质。虽然听起来还是很庞大，但与浩瀚的宇宙相比，这是一个相当精确的模拟，生成的数据量高达4PB。这种极端的设置也是为了配合精确宇宙学时代的天空测量计划。借助巡天望远镜的大视野，这些计划甚至准备记录宇宙中的大多数星系。因此，用于超级计算机匹配的仿真软件、数据分析和后处理技术也发挥着关键作用。

中国的超级计算在设计和底层硬件架构上有别于美国和日本，在数值计算的某些方向上也值得期待。日前，针对宇宙的曙光，国家天文台借助中科先锋一号计算机完成了与“乌楚”同尺度的模拟，并借助国产加速度组件实现了更高的分辨率。此外，基于中国空间站工程巡天望远镜的计算宇宙学国内联合团队在国家超级计算昆山中心部署了综合模拟系列。随着下一代超级计算系统的揭秘，未来的旗舰仿真将朝着更大规模、更强分析能力、更高精度的方向发展，这将有助于人们了解更小的宇宙结构层次，了解其演化过程，探索更多关于宇宙的未知奥秘。