@ 2017.06.14 , 17:00

史上最大的模拟宇宙

来自苏黎世大学的研究者已经利用大型超级计算机模拟出了整个宇宙的形成。从2万亿数字粒子产生了约250亿个虚拟星系。这些星系的目录已经被用于校准欧几里得卫星上进行的实验,这个卫星将于2020年发射,目的是调查暗物质和暗能量的本质。

经过三年的努力,一组苏黎世大学的天体物理学家研发并优化了一个革命性的代码,以前所未有的准确性描述暗物质的动态和宇宙大尺度结构的形成。正如Joachim Stadel、 Douglas Potter以及Romain Teyssier在他们近期发表的论文中所称,该代码(被称为PKDGR□□3)被设计出来最好地利用现代超级计算机架构的可用存储和处理能力,比如瑞士国家计算中心(CSCS)的Piz Daint超级计算机。该代码只在这台世界领先机器上运行了80小时,产生了具有2万亿表示暗物质流的宏观粒子的虚拟宇宙,从中提取出了250亿虚拟星系的目录。

史上最大的模拟宇宙
credit: 煎蛋第18位画师PAX-12

研究暗宇宙的构成

由于他们的高精度计算,展示了暗物质流在自身引力下的演变,研究者模拟了小型物质集中的形成,被称为暗物质晕。通常我们认为类似银河系的星系就是从暗物质晕形成而来的。这种模拟的挑战在于要模拟整个可观测宇宙这么大的空间内的小至十分之一银河系大小的星系。这也是由欧洲欧几里得任务设置的要求。该任务的主要目标是探索宇宙的黑暗面。

测量微小的畸变

的确,大约95%的宇宙都是黑暗的。宇宙由23%的暗物质和72%的暗能量构成。苏黎世大学计算天体物理教授Romain Teyssier说道:“暗能量的本质仍然是现代科学中有待解决的主要难题之一。”这个难题只能通过间接观测破解:当欧几里得卫星在大面积天空中捕捉数十亿星系的光线,天文学家们将测量由前景不可见质量分布——暗物质引起的背景星系光线偏转产生的微小畸变。苏黎世大学计算科学研究所的Joachim Stadel说道:“这类似于稍微不平坦的玻璃板对光的扭曲。”

优化卫星的观测策略

这个新的虚拟星系目录将帮助这个卫星在2020年开始6年数据收集之前,优化欧几里得实验的观测策略,最小化各种误差源。

Stadel说道:“欧几里得将进行我们宇宙的层析成像,追溯宇宙过去100多亿年的进化。”根据欧几里得数据,研究者将获得关于神秘暗能量本质的信息,但还希望发现标准模型之外的新物理,比如修正版本的广义相对论或者新类型的粒子。

论文原文:DOI: 10.1186/s40668-017-0021-1

本文译自 phys,由译者 CliffBao 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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