千年-XXL计划：模拟暗能量宇宙中星系族群

伤我心太深

λCDM宇宙结构形成模型与很多观测成功吻合。然而，该模型中主要成分，也就是所谓暗能量的本质仍旧是个谜。马普天体物理所的科学家最近进行了迄今规模最大的宇宙结构形成计算机模拟。与新的观测项目一道，它可能会帮助人们限制暗能量的特性，并解决现代宇宙学最重要的一道谜题。

在过去的20年中，宇宙学数值模拟在确立λCDM图象作为描述可观测宇宙可行模型地位的过程中发挥了决定性的角色，举例来说，它们让天文学家研究了标准模型不同方面对星系空间分布的影响，这可以直接与观测来比较，以证实或排除某个特定的模型。类似地，这样的模拟是了解低红移和高红移宇宙的不可或缺的工具，原因是它们可以是唯一一条可以精确预言非线性宇宙结构形成产物的途径。

千年-XXL模拟的质量密度场展示了模拟的z=0宇宙质量最大的星系晕。每张插图都比前一张放大了8倍，边长从4.1 Gpc减小到了8.1 Mpc。所有图象都是8 Mpc厚度模拟区域的平面投影。

最近马普天体物理所的科学家与室女座联盟（Virgo consortium）合作，完成了规模最大的宇宙学N体模拟。这一计算在相当于超过130亿年的时间里求解了超过3000亿个粒子的引力相互作用，因此同时预言了宇宙中极大尺度和极小尺度上物质的分布。哪怕对于现今最强大的超级计算机来说，进行这样的计算也是让人生畏的挑战。模拟需要相当于300年的CPU时间，使用了德国于利希（Juelich）超级计算机中心Juropa机器上超过12000个计算机核心以及30 TB的RAM。进行运算时，这台机器是世界上最强大的15台计算机之一。模拟生成了超过100 TB的数据。

新的模拟名为Millennium-XXL，在4.1 Gpc边长的宇宙区域里跟踪了67203个粒子，以空前的体积和细节分辨出了大尺度结构。该模拟巨大的统计力量在上图中得以展示，这张图片是z=0区域最大尺度密度场和最大尺度星系团的投影。模拟结果被用于建立星系形成和演化的模型，提供了低红移区域大约7亿个星系的样本，其分布在图2中说明。这让人们可以对罕见天体如类星体和大质量星系团进行详细的成团性研究。特别是星系和背景暗物质分布的尺度相关关系以及所谓重子声学共振（BAO，可以通过星系成团性功率谱来测量）的非线性演化第一次得以从完全物理的途径解决。

千年-XX模拟预言的星系分布。每个星系由一个球体来描绘，其亮度与尺度分别与预期恒星质量以及冷气体盘的尺度相关。

这项工作预计对于了解新的观测数据来说是至关重要的，后者的目标是通过测量状态方程的红移演化来为暗能量的本质提供线索。尤其值得一提的是，规模最大的星系巡天即将开展，它提供新发现的科研潜力不可估量。SDSSIII/BOSS或者PanSTARRS这样的计划已经开始以空前的细节巡视天空，大大提高了现有宇宙探针的精度。这些工作与新进行的模拟这样的理论工作一道，可能会为标准λCDM宇宙结构形成模型带来挑战，也许甚至会发现新的物理。