超级计算机也能帮助科学家研究宇宙？现实与模拟结合的必由之路

慧眼识英雄1

宇宙之大却井然有序

仅仅说宇宙好大好大，或者说无边无际，似乎有点太委屈宇宙了。宇宙非常非常复杂，它似乎拥有自己的意识，星球到恒星系统，星系到星系团，宇宙网到整个宇宙，每一个部分都互有联系，彼此依存。除了这些看得见的重子物质，暗物质与暗能量可能是整个宇宙最大的奥秘。暗物质与暗能量左右了宇宙的演化以及所有结构的共通性，我们聊起来暗物质暗能量好像就是两个词语，但是对于宇宙学家来说这是一个令人头痛的问题。

人类虽然渺小，但是也想了解宇宙，梦想和远方支持着我们头脑宇宙的运作。那么遇到如此复杂，不可琢磨，看不见摸不着的宇宙神秘物质，我们该如何探寻奥秘呢？比如现在我们想要了解银河系或者其他星系团与暗能量暗物质的关系，怎么办呢？宇宙学家想到一个办法，那就是使用不同视角的太空望远镜，观察其他星系，借此来研究我们的星系，这其实是一种类比的方法。

宇宙学家们通过星系的一系列结构性行为，比如激烈的碰撞融合，星系之间互相牵制的引力现象，还有一些极其特殊的结构可以判断——宇宙中充满了暗物质与暗能量，而我们却只能通过这些看得见的重子物质推测暗物质暗能量的性质。现在，宇宙学家们得出来一个结论，暗能量和暗物质其实是空间的一种根本性质。

它就是空间的法则，就好像我们人类的根本性质是意识，水或者构成人体的原子一样。换一个科幻的角度，如果我们可以了解并且利用这种性质，就可以做出很多想象都想象不到的事情……想象到的，比如给暗物质粒子施加某种效应制造虫洞穿梭时空，或者利用时空暗能量作为填充燃料，在多个宇宙间穿梭等等。

超级计算机的出现，也可以帮助研究宇宙

现代科学技术不断进步，计算机技术也在不断发展，我们通过硬件的堆叠创造了超级计算机，超级计算机主要就是“超级”二字。现代宇宙学家可以利用超级计算机的浮点运算在一秒内进行数百万亿次的计算，现在最先进的超级计算机甚至可以每秒运算百亿亿亿次。宇宙学家们经常利用超级计算机进行一些量子力学，地球气候模拟，分子原子建模，人工智能智慧模拟等工作。在宇宙学家这里，超级计算机还另有妙用。

自20世纪中叶以来，宇宙学家对宇宙的产生有了更进一步的认识。宇宙膨胀和宇宙微波背景CMB的发现为大爆炸理论提供了可信层理论，宇宙膨胀速度的加快催生了有关暗能量的理论。尽管如此，早期宇宙仍然有很多宇宙学家不能解决的问题，仅仅依靠重子物质侧面观察研究暗物质远远不够，所以宇宙学家们想到了超级计算机。

我们研究宇宙超巨大结构，研究宇宙演化与宇宙本身的结构不可能使用类比法对比其他宇宙研究。所以宇宙学家可以利用超级计算机的运算力和计算的严谨性来模拟宇宙天体或者是宇宙星系，现在的宇宙学家甚至会用超级计算机模拟宇宙中的超巨大结构。这实在难以想象，换句话说这是依靠我们人类发现的一点点宇宙规律而创造的宇宙。
模拟宇宙，这是一种特殊角色

模拟宇宙并非不可能，模拟的成功取决于其改进算法的应用，其计算包括很多天体类型，例如超大质量黑洞的形成及其对环境的影响，星系与暗物质暗能量的作用比等等。宇宙学家运行了24000个CPU，经过了三个月的运算模拟，创造了一个“数据宇宙”。如果我们用办公桌上的普通PC，需要至少16000年才能模拟同级别的宇宙。宇宙学家以前的模拟要么只关注宇宙结构的一小部分，要么分辨率太低。但是，最新的这项研究以前所未有的分辨率创建了一个具有3.5亿光年的多维数据集，并跨越了130亿年的模拟时间。

大质量星系团的中心温度极高（红色），而明亮的结构则为我们展示了宇宙网边界处被加热的呈扩散趋势的星尘

在模型中，宇宙学家清楚的看到了宇宙大爆炸之后不久的情况，原始物质的集群性冷却形成了第一批恒星和年轻星系。暗物质也包括在计算中，它在未来逐渐获得全宇宙的领导地位，暗物质和暗能量在未来逐渐获得宇宙最大结构宇宙网的主导地位。130亿年的时间，在我们眼前匆匆飞逝。

我们在最遥远的宇宙深处看到了很多星系的诞生——以惊人的熟悉的形状和大小形成。该模型仅使用了数十年或者几个世纪天文观测所构建的理论方程，未来模型还可以随时间发展，就好像一个婴儿时期的模拟宇宙。

这是IllustrisTNG模拟宇宙，IllustrisTNG模型的存在是为了解决宇宙演化等相关问题

这个模型被称为IllustrisTNG，它创造了一个120亿像素的三维空间，所有的计算规则都是现代科学已经确定的正常物质和暗物质的基本方程。宇宙学家可以在模型中放大感兴趣的区域，关注不同的宇宙结构。关于模拟宇宙，最特别的事情是它与现在天文台很多观测结果都极为相似。当他们开始模拟大爆炸1.2亿年后，大约41000个星系从看似混乱的物质中凝聚成无数的星系团，而现实中宇宙学家的推测是1.3亿年之后。

这就好像一台时间机器。我们可以随意滑动无论是前进和后退。我们还可以暂停模拟，放大到单个星系或星系团，看看到底发生了什么。可视化模拟宇宙结构不仅是一种漂亮的结构，而且具有相当的科学重要性。

宇宙学家们模拟的两个星系相撞的过程

模拟宇宙之中的研究

在模拟宇宙中，宇宙学家们设想了两个螺旋星系碰撞对星系内部两颗星球的引力效应。在星系合二为一之前，这对行星可能会经历某种轨道的不稳定。但是模拟的结果出乎意料，星系碰撞对于星系内部的单个天体几乎不会有影响。所以根据宇宙学家观测其他正在碰撞的星系也好，还是模拟的结果也好，星系碰撞并不是破坏性事件，而是新融合星系中大批量恒星形成的开始，所以我们就不用担心未来银河系与仙女座星系的碰撞了。

模拟宇宙中最关键的是了解宇宙运行的机制，所以天文学家特别模拟了一些早期星系，观察了它们的形成与演化过程。大爆炸后矮星系开始出现，这些星系最终聚集在一起，形成我们今天看到的更大的星系，比如银河系，也就是说宇宙早期的星系都没有现在的规模这么大。

GOODS深空场包含18个星系，它们正在迅速形成恒星，以至于其中的恒星数量在短短的一千万年中将翻一番

宇宙大爆炸之后温度极高，亚原子粒子出现在大爆炸后不到一秒钟的时间内，之后它经历了指数级的突增，慢慢地，密集的暗物质区域在它们自身的重力作用下聚结成巨大的团块和细丝结构，这也被称为宇宙网。众多星系被暗物质的引力吸引，沉淀进入到宇宙网的重力点中，凝结成超巨大星系团。在接下来的130亿年中，它们在宇宙中漂移，并通过相互融合而逐渐增长。

另外在模拟中发现，第一批形成的恒星质量非常大，它们以原星系的氢供应为食，并将其离子化。这些恒星寿命很短，很快就会爆炸形成超新星。超新星结构和这些被抛出冷却了的恒星结构就好像恒星孢子，它们在更远的地方形成了更多的恒星，逐渐形成了更大的星系。也就是说宇宙的第一批恒星要比现在的恒星大很多，它们甚至可以左右整个星系的演化过程。

早期宇宙中质量大的恒星爆炸时会喷出非常多的铁物质。天文学家可以由此推断下一代恒星的组成，也可以确定宇宙中第一批恒星的组成

模拟+现实，这是未来研究宇宙学的趋势

在现实观测当中，宇宙学家会先观察，然后他们会用超级计算机创建一个模型来理解他们所看到的，这个模拟将使用已知的物理原理来对比覆盖观测结果。现在，研究人员已经在实验室中拥有了好莱坞级别的可视化工具，模拟出令人震惊的天体物理现象，他们能够追踪到塑造宇宙的一些最复杂的机制。比如现在一种叫KIPAC可视化技术帮助斯坦福大学的科学家们了解了星系群的形成和结构，方法是在一个边宽45亿光年的虚拟立方体中模拟100个星系群。这些可能是很漂亮的动画，但它们创作的背后有很强的科学性。

宇宙学家们创建的模拟宇宙，内含科学严谨性，换句话说，这就是我们人类现在理解的宇宙

在未来，模拟宇宙结构，无论是模拟的暗物质还是暗能量数字粒子，都会与现实观测的数据结合。这些团块是数十亿年前银河系最终形成的地方，这些年来宇宙膨胀，银河系已离开了它本来的“故乡”。

欧洲航天局的欧几里德太空望远镜在未来也将使用此IllustrisTNG模拟，欧几里得在今年年中发射时，它将为数十亿个星系成像，并测量暗物质引力引起的光线的细微扭曲现象，也就是引力透镜现象，这就像通过观察光线的差异来试图发现窗户一样。

苏黎世研究人员进行的暗物质模拟是使科学家了解预期结果的一种重要工具，这也可帮助欧几里德太空望远镜执行任务。科学家可以使用卫星的数据将宇宙的模拟转换为高度精确的宇宙图。一旦有了该图，我们也许可以最终弄清楚什么是暗物质和暗能量。

暗能量巡天计划调查了2600万个星系的暗物质地图，全部用的是引力透镜的方法。该地图约占整个天空的1/30，范围跨越数十亿光年。红色区域的暗物质多于平均水平，蓝色区域的暗物质少。

模拟宇宙，未来可期

未来的模拟宇宙不仅会与现实天文望远镜的观测数据结合，还会向两边扩展，一边是模拟宇宙中的微观结构，比如说超级地球，或者说是超巨大恒星，模拟并且了解它们的机制，这对于我们了解宜居地球中生命起源的形式有极其重要的作用。另一边是更大的宇宙结构，现在的模拟宇宙由于超级计算机的限制，我们也许无法模拟整个920亿光年（直径）的可观测宇宙，在未来我们需要模拟更大结构，甚至模拟整个宇宙的运行，也许在其中，我们还可以模拟一个超级文明等等。

模拟宇宙是科学的，也是未来天体物理学和宇宙学家的研究方式之一，未来的宇宙学家观测，或者说了解宇宙的方式将会更多，宇宙的面貌也会被逐渐揭开。

原文地址：今日头条