计算机模拟助力探索宇宙

近日，有国际科学团队发布了名为“Uchuu”的“虚拟宇宙”。该模拟覆盖了约96亿光年尺度上的宇宙区间，时间上则横跨宇宙诞生至今的绝大部分历史，是迄今为止对宇宙的最先进模拟之一。

虚拟宇宙实际上是一种定量的计算机模拟。通过检索模拟数据，可以获取任何时间点上的模拟星系的信息和演化过程，也可以对其进行统计上的数据分析。计算机模拟是现代宇宙学研究不可或缺的手段。目前已推断出，宇宙诞生于130多亿年前的大爆炸。但在这之后，混沌的火球中如何形成银河系、太阳系、地球，其间又要经历多少时间和哪些过程？这些问题有的较为容易通过理论来推算，但大部分过程都过于复杂，以至于推算精度非常有限。因此，从基本原理出发模拟一个虚拟宇宙，并从中定量提取信息，是当前科研的重要方式之一。此外，宇宙的绝大部分组成是暗物质和暗能量，它们如同大洋深处一样幽暗，人类从望远镜中看到的遥远星系就如同在深海中飘荡的渔船灯火。因此，一个数值构成的虚拟宇宙可以作为观测数据与基本原理之间的桥梁。

在无尽的宇宙空间里，模拟出百亿年中发生的故事又谈何容易。诺贝尔物理学奖得主詹姆斯·皮布尔斯在1976年发表文章，介绍使用数值计算来模拟宇宙时，仅能使用1500个粒子表示物质分布。随着超级计算机时代的开启，宇宙学模拟规模大幅提高，在上世纪90年代到达几百万个粒子，覆盖几百万光年的空间，开始进入到宇宙的尺度。近年来，随着模拟精度不断提高，科学家借此基本理清了宇宙物质结构等级形成的规律，大致梳理出宇宙中大尺度纤维状结构、团状结构以及各类星系的形成过程。

如今的“Uchuu”项目，借助超级计算机“富岳”和ATERUI II，模拟规模高达2.1万亿个粒子，每个粒子代表了几百万太阳质量的宇宙物质。尽管这听起来依旧庞大，但和浩瀚无垠的宇宙相比，已算得上是相当精确的模拟，所生成的数据量高达4PB。如此极端的设定也是为了匹配精确宇宙学时代的巡天计划，借助于巡天望远镜的广阔视野范围，这些计划甚至准备收录下宇宙中大部分的星系。由此，针对超级计算机匹配的模拟软件、数据分析和后期处理技术也起到了关键作用。

中国超算在设计和底层硬件架构上与美日等国有诸多不同，在数值计算的一些方向上同样值得期待。日前，针对宇宙黎明时期，国家天文台依托中科先导一号计算机完成了和“Uchuu”同样规模的模拟，并依靠国产加速部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国内计算宇宙学联合团队，在国家超级计算昆山中心部署了涵盖全面的模拟系列。随着下一代超算系统揭开面纱，未来的旗舰级模拟将向着规模更大、解析能力更强更精密的方向发展，帮助人们理解更小的宇宙结构等级，认识其演变过程，探索更多关于宇宙的未知之谜。

（作者为中国科学院国家天文台副研究员）