8000个CPU超级计算机历时3月模拟宇宙140亿年演化

 

天文学家近期成功实现了对宇宙演化的一次模拟，结果与实际观测极为吻合。

 

然而此次模拟的结果与实际的观测之间也仍然存在不相符合的地方，说明我们对于宇宙的运作机制仍然存在理解不足或是错误的地方。天文学家们还将继续努力，回答宇宙向我们提出的终极问题。

据国外媒体报道，天文学家们已经能相当有信心地指出我们的宇宙是何时开始，以及其后大约140亿年的演化历程。然而要将我们所知有关宇宙演化的一切知识融入计算机并展现出来将不是一件容易的事。实际上这项任务已经超越了任何一台计算机的能力。

然而就在最近，天文学家们宣布他们经过3个月的运算，让8000个CPU同时并网运行，成功实现了对宇宙演化的模拟。如果用你的办公室普通台式机进行这样的模拟，那么你将需要花费大约2000年的时间才能完成运算。

哈佛-史密松天体物理中心的马克•沃格尔贝格(Mark Vogelsberger)是这项研究的首席科学家。他说："直到目前，还没有任何一个单独的模拟实验能够同时重现宇宙在大尺度和小尺度上的结构特征。"

此前的工作要么将重点着眼于宇宙的一小部分局部区域，要么模拟的分辨率太低。然而这次的这项模拟实验模拟的空间尺度直径达3.5亿光年，时间上纵贯130亿年的历史，分辨率惊人。有关这项工作的论文已经发表于5月8日出版的《自然》杂志。

在这个模型中，宇宙大爆炸之后的情景被理解为一锅高温的原始汤逐渐冷却并形成宇宙中最早一批恒星和星系的过程。在计算过程中暗物质也被包括在内，它们在宇宙网络中占据着主导的地位。在其引力的作用下聚集起巨大的星系群结构。

超新星爆发在星系际以及恒星际空间中播撒下越来越多，原子量越来越大的元素。这一过程同样被纳入了模拟过程，从而为我们提供了一个窥视恒星，行星的形成，有机化学过程的出现直至生命诞生过程的窗口。

这一模拟的另一项令人震惊之处便是其得到的结果与今天通过天文台所得观测结果两者之间的惊人相似性。对遥远宇宙边缘的星系结构的演化重现得到的结果与我们在实际宇宙中所见的情况存在惊人的相似。

这一模型仅仅使用了基于在过去数十年(甚至数百年)来天文观测所积累数据构建的方程，并考虑其随时间发生的变化。这样做之后得到的结果是令人震惊的，甚至让人难以分辨模拟结果与现实宇宙。

这一模型被称作"Illustris"，这是一个3D模拟空间，其中包含120亿个像素，所有这些都按照制约常规物质(以及暗物质)的基本方程来进行运算。研究人员们现在尅一放大某个感兴趣的区域并观察其中不同的机制。当他们查看模拟结果中大爆炸之后大约1200万年时的情景时，他们注意到当时已经有大约4.1万个星系已经形成，从看似一片混乱的物质背景中形成宏观的星系结构群。

研究论文的合著者，同样来自哈佛-史密松天体物理中心的夏•杰尼尔(Shy Genel)表示："Illustris就像一台时间机器。我们能够向前或向后拨动时间。我们还能中断模拟过程，并放大某个星系或星系群，从而细致观察其演化过程。"

然而正如在《自然》杂志公布有关论文的同时所附带的一段视频所显示的那样，模拟的结果与实际的观测之间也有不相符合的地方，但这正是科学的本质-;-;提出假设，验证理论，并将其与现实世界进行对比。如果有哪些地方存在差异，那么这就说明我们对于宇宙的运作机制仍然存在理解不足或是错误的地方。天文学家们还将继续努力，回答宇宙向我们提出的终极问题。