超級計算機演繹「千年宇宙」之謎(圖)

2011-10-03 20:03

據國外媒體報導，科學家通過超級計算機模擬了迄今為止最準確和詳細的宇宙演化過程，為天文學家以及宇宙物理學家提供了一種新工具，以瞭解星系的形成過程，暗物質和暗能量的作用方式。這個模擬過程主要是基於宇宙的大尺度結構，包括星繫在合併和增長的進程中，周圍暗物質環在其中扮演著何種作用，例如演化機制和散步規律等，初步的研究顯示了與天文學家實際觀測過程中的情況較為符合。

冷暗物質之謎：超級計算機演繹「千年宇宙」
銀河系存在如大小麥哲倫星雲的衛星星系

加州大學聖克魯斯分校的物理學教授喬爾普裡馬克（Joel Primack）認為：從某種意義上說，你可能認為這些初步結果所反映出的過程有點兒過時，但這很清楚地表明，我們所認為的標準宇宙模型體現的就是這種機制。這項研究之所以讓我們感到興奮，是因為我們有了這種高度精確的模擬，可以反映出宇宙在一定尺度上的演化方向，其同時也將為我們在未來幾個月甚至數年之內的研究提供基礎性的作用。

物理教授普裡馬克（Primack）和新墨西哥州立大學的天文學教授阿納托利克雷平（Anatoly Klypin）共同領導了這次宇宙演化大模擬實驗。阿納托利克雷平主要負責在超級計算機上錄入模擬代碼，這臺計算機有著不同凡響的名聲，它就是隸屬於美國國家航空航天局艾姆斯研究中心的「昂星團」超級計算機，該超級計算機主要幫助美國宇航局的科學家對各種航天任務以及宇宙探索進行模擬和模擬研究。對宇宙的演化過程模擬式非常必要的，我們現在擁有各種天文觀測的數據，如何將這些數據進行整合以及發揮他們在預測上的優勢，這是科學家要解決的問題，這同時也有助於我們確定宇宙中神秘的暗能量是何種性質。

根據目前領導著加州大學高性能天體計算機研究中心的物理學教授喬爾普裡馬克介紹：宇宙新「千年模擬」計畫的初步數據版本在九月份上旬開始，現在我們以及發布了大量的數據，可以供其他研究機構的天體物理學家使用。到目前為止，這些數據還不到總量的百分之一，這是因為總的模擬基數非常地龐大，在將來還會有新的數據進行公布。

早在2005年之時，由馬克斯普朗克研究所進行了一項被稱為「千年模擬」的宇宙演化研究，同樣是研究大尺度範圍內的宇宙進程，包含了20億光年距離上的宇宙信息，大概存在著數千萬個星系的規模，由於其設定的粒子數創記錄地達到了百億個數量級，因而其為當時的天體形成以及演化的研究提供了相當程度的數據，也發表了400餘篇的學術論文。但是，現在天文學家認為，當時被當做基本參數的部分數據存在不準確性，所以該模擬的結果並不是準確的。這些數據來自美國宇航局的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）。

該各向異性探測器主要提供了自宇宙大爆炸之後殘留下來的宇宙微波背景輻射在空間上各向異性的微小變化，並繪製了詳細的分布概況圖。最早的WMAP1版本的分布概況圖以及被後續的版本最取代，而在2010年美國宇航局發布了WMAP7版本的分布概況圖。而本次模擬使用的參數是基於2008年公布的WMAP5版本，這個版本的數據與最新的WMAP7是基本一致的，而最早的WMAP1版本被認為存在著一些錯誤，「千年模擬」所採用的數據恰恰就是WMAP1版本。此外，超級計算機技術的進步，使我們在整個過程中可以以較高的解析度進行模擬。因而，物理學教授喬爾普裡馬克認為本次研究結果將會對現有的天文學研究產生較大的影響。

宇宙大爆炸之後，宇宙如何進行演化的標準解釋是被稱為Lambda冷暗物質模型的理論，Lambda是指代當前宇宙存在的加速膨脹機制中的暗能量（希臘字母，宇宙學常數），這個模型符合現階段對宇宙大尺度結構的研究以及對宇宙微波背景輻射觀測，是一個能自洽的簡單假設的宇宙模型。這就是本次宇宙演化模擬的理論基礎。根據這個模型，引力在大爆炸發生後不久，存在著輕微的密度擾動，並導致宇宙中第一個暗物質塊的出現。

接著，這些暗物質塊經過漫長的演化過程，並逐漸合併成更多的團塊，就是我們現在宇宙中存在的暗物質。而暗物質的性質仍然是一個迷，其佔據了宇宙中82%的物質。因此，對宇宙的研究不可避免地要涉及到暗物質，其產生的引力作用是推動宇宙演化的關鍵因素。普通物質在形成恆星以及行星之後，併進入有暗物質構成的團塊之中，從而使得在星系周圍存在著由大量暗物質構成的神秘暗物質環。超級計算機在一個主要目的就是模擬和計算暗物質環是如何進行演化的。這些研究結果已經發表在《天體物理學》期刊上，作者是新墨西哥州立大學的研究生塞巴斯蒂安特魯希戈麥斯（Sebastian Trujillo-Gomez）和普裡馬克（Primack）。

另一篇基於該研究的論文同樣也發表在《天體物理學》期刊上，提出了星系大量暗物質的模擬預測以及屬性的問題。作者是克雷平（Klypin）、塞巴斯蒂安特魯希戈麥斯（Sebastian Trujillo-Gomez）和普裡馬克（Primack），以及加州大學聖克魯茲分校的博士後研究員亞倫羅曼諾夫斯基（Aaron Romanowsky）。普裡馬克認為：模擬預測的結果與目前進行的斯隆數字巡天計畫的觀測對比顯示出非常好的融洽性。

超級計算機模擬的是具有代表性的宇宙區域，大約是位於10億光年之內的宇宙空間，設定了86億個暗物質粒子參與相互作用的演化，整個過程花了600萬個CPU小時進行運算，而昴宿星團超級計算機被列為世界上第七快得超級計算機。可對宇宙中星系團以及其他大尺度結構進行預測，其中的重點在暗能量參與的進程，被稱為重子振動光譜調查。

此外，科學家該模擬了較小尺度的宇宙演化，同樣也是在昴星團超級計算機運行。其重要側重於宇宙較小部分的模擬，並提供更高的分解析度。所有的模擬結果都會公布在MultiDark資料庫中，該資料庫是由德國波茨坦天體物理研究所主管。以提交的分析結果顯示了預測銀河系中主要衛星星系的數量，這些衛星星系與大小麥哲倫星雲亮度相當。