天文学家进行有史以来最大的宇宙计算机模拟

往事随风760

背景图像通过最大的FLAMINGO模拟显示了当今物质在切片中的分布，该模拟的一侧为2.8 Gpc（91亿光年）的立方体积。背景图像的亮度给出了暗物质的当前分布，而颜色编码了中微子的分布。插图显示了以最大质量星系团为中心的连续三次放大；按顺序，这些显示了气体温度、暗物质密度和虚拟X射线观测（来自Schaye等人2023）。来源：Josh Borrow，FLAMINGO团队和Virgo财团。许可CC-BY-4.0

（）据皇家天文学会：一个由天文学家组成的国际团队进行了据信是有史以来最大的宇宙计算机模拟，不仅跟踪暗物质，还跟踪普通物质(如行星、恒星和星系)，让我们得以一窥我们的宇宙可能是如何演变的。

FLAMINGO模拟根据物理定律计算宇宙所有组成部分的演化——普通物质、暗物质和暗能量。随着模拟的进行，虚拟星系和星系团出现了。三篇论文已经发表在《皇家天文学会月报》上:一篇描述方法，另一篇展示模拟，第三篇检验模拟如何再现宇宙的大尺度结构。

欧洲航天局(ESA)和美国宇航局(NASA)的JWST最近发射的欧几里德太空望远镜等设施收集了大量关于星系、类星体和恒星的数据。FLAMINGO之类的模拟通过将我们宇宙理论的预测与观察到的数据联系起来，在数据的科学解释中发挥了关键作用。

根据该理论，我们整个宇宙的属性是由几个称为“宇宙参数”的数字设定的(在该理论的最简单版本中有六个)。这些参数的值可以用各种方法非常精确地测量。

其中一种方法依赖于宇宙微波背景(CMB)的特性，这是早期宇宙遗留下来的一种微弱的背景辉光。然而，这些值与其他技术测量的值不匹配，这些技术依赖于星系引力弯曲光的方式(透镜化)。这些“紧张”可能预示着宇宙学标准模型——冷暗物质模型——的终结。

计算机模拟也许能够揭示这些紧张的原因，因为它们可以告知科学家测量中可能的偏差(系统误差)。如果这些都不足以解释这种紧张，那么这个理论就真的有麻烦了。

到目前为止，用于与观测结果进行比较的计算机模拟只追踪冷暗物质。“虽然暗物质主导了引力，但普通物质的贡献不能再被忽略，”研究负责人Joop Schaye(莱顿大学)说，“因为这种贡献可能类似于模型和观测之间的偏差。”

第一批结果表明，中微子和普通物质对于做出准确的预测都是必不可少的，但并没有消除不同宇宙学观测之间的紧张关系。

追踪普通重子物质(也称为重子物质)的模拟更具挑战性，需要更多的计算能力。这是因为普通物质——仅占宇宙中所有物质的16%——不仅感受到重力，还感受到气体压力，这可能导致物质被活跃的黑洞和超新星吹出星系，进入星系间空间。

这些星系际风的强度取决于星际介质中的爆炸，很难预测。除此之外，中微子的贡献也很重要，这种亚原子粒子非常小，但质量未知，但迄今为止它们的运动还没有被模拟出来。

天文学家已经完成了一系列计算机模拟，追踪暗物质、普通物质和中微子的结构形成。莱顿大学的博士生Roi Kugel解释说:“通过将大量不同的相对较小体积的模拟预测与观察到的星系质量和星系团中的气体分布进行比较，使用机器学习校准了银河风的影响。”

研究人员用一台超级计算机在不同的宇宙体积和不同的分辨率下模拟了最能描述校准观测的模型。此外，他们改变了模型的参数，包括银河风的强度，中微子的质量，以及在略小但仍很大的体积模拟中的宇宙学参数。

最大的模拟在一个边长为100亿光年的立方体体积中使用了3000亿个分辨率元素(具有小星系质量的粒子)。这被认为是有史以来用普通物质完成的最大的宇宙计算机模拟。莱顿大学的Matthieu Schaller说:“为了使这种模拟成为可能，我们开发了一种新代码SWIFT，它可以有效地将计算工作分配到3万个CPU上。”

FLAMINGO模拟打开了一个新的关于宇宙的虚拟窗口，这将有助于充分利用宇宙学观测。此外，大量(虚拟)数据为新的理论发现和测试新的数据分析技术(包括机器学习)创造了机会。

使用机器学习，天文学家可以预测随机的虚拟宇宙。通过将这些与大尺度结构观测进行比较，他们可以测量宇宙学参数的值。此外，他们可以通过与约束银河风效应的观测结果进行比较来测量相应的不确定性。