近日，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)發(fā)布了超大規(guī)模宇宙學(xué)模擬項(xiàng)目“千衍”。這個(gè)模擬“宇宙”將邊長(zhǎng)約120億光年的宇宙空間裝進(jìn)計(jì)算機(jī)，使用約4.2萬(wàn)億個(gè)暗物質(zhì)粒子，高精度追蹤暗物質(zhì)在宇宙演化中的聚集和結(jié)構(gòu)形成過(guò)程。科學(xué)家為什么要建一個(gè)模擬的“宇宙”？通過(guò)這份數(shù)字導(dǎo)引圖，我們能看到宇宙的哪些奧秘？

一場(chǎng)大爆炸，迎來(lái)了宇宙的初生，這是科學(xué)界關(guān)于宇宙起源的主流理論。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)副臺(tái)長(zhǎng)趙公博介紹，人類(lèi)擁有各類(lèi)天文望遠(yuǎn)鏡用于宇宙觀測(cè)，但模擬構(gòu)建虛擬宇宙的價(jià)值，在于高精度給出理論模型的預(yù)測(cè)，用于對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)，為探索宇宙奧秘提供關(guān)鍵支撐。

所謂數(shù)字虛擬宇宙，是指科研人員依托超級(jí)計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大算力，模擬出的一個(gè)與真實(shí)宇宙十分相似的數(shù)字化的宇宙。

科學(xué)家們?yōu)檫@個(gè)超大的數(shù)字虛擬宇宙取名為“千衍”。它覆蓋了邊長(zhǎng)約120億光年的宇宙空間，使用約4.2萬(wàn)億個(gè)暗物質(zhì)粒子。趙公博解釋?zhuān)@個(gè)模擬宇宙能讓科學(xué)家“看到”真實(shí)宇宙中目前很難看到的東西。

論文第一作者、中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)研究員王喬表示，“千衍”通過(guò)模擬技術(shù)，高精度追蹤暗物質(zhì)在宇宙演化過(guò)程中的聚集與結(jié)構(gòu)形成，最終輸出100個(gè)演化階段的模擬快照，完整還原了宇宙從早期到如今的“成長(zhǎng)軌跡”。

目前，對(duì)極端稀有天體的模擬，也已經(jīng)在“千衍”中成為現(xiàn)實(shí)。距離地球約40億光年的著名大質(zhì)量并合星系團(tuán)阿貝爾2744，由多個(gè)星系團(tuán)碰撞并合而成，結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，是檢驗(yàn)宇宙學(xué)模型的重要樣本。

研究團(tuán)隊(duì)從模擬中篩選出與阿貝爾2744相似的星系團(tuán)，王喬表示，測(cè)試結(jié)果顯示，與詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果高度吻合充分驗(yàn)證了“千衍”的超高數(shù)值模擬精度與精細(xì)化星系建模能力。

模擬宇宙演化過(guò)程，需要長(zhǎng)時(shí)間、大規(guī)模動(dòng)用超算資源，中國(guó)科學(xué)院“東方”超級(jí)計(jì)算機(jī)，成為支撐此次宇宙數(shù)值模擬的重要基礎(chǔ)。在這個(gè)超級(jí)計(jì)算平臺(tái)的支持下，“千衍”還可能為我們帶來(lái)哪些新的認(rèn)知呢？

“千衍”能夠?qū)崿F(xiàn)超大規(guī)模、高精度的宇宙模擬，離不開(kāi)國(guó)產(chǎn)技術(shù)的硬核支撐。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)團(tuán)隊(duì)歷時(shí)數(shù)年攻關(guān)，自主開(kāi)發(fā)了相關(guān)軟件，對(duì)國(guó)產(chǎn)自主超算平臺(tái)完成深度優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了超大規(guī)模、超長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間的高效穩(wěn)定計(jì)算。在東方超算4096節(jié)點(diǎn)運(yùn)行1.6萬(wàn)張加速卡，歷時(shí)大約18天，模擬“宇宙”在計(jì)算機(jī)中顯現(xiàn)。

論文共同第一作者、北京師范大學(xué)天文學(xué)系教授郭琦指出，“千衍”在模擬體積和質(zhì)量分辨率的覆蓋范圍上前所未有，使我們能夠詳細(xì)預(yù)測(cè)大量相對(duì)常見(jiàn)星系在宇宙網(wǎng)中的分布方式，也能研究那些本身罕見(jiàn)且富有研究?jī)r(jià)值、但在較小體積模擬中難以觸及的天體的性質(zhì)。

王喬指出，未來(lái)，“千衍”將持續(xù)優(yōu)化模擬精度、拓展模擬范圍，進(jìn)一步助力暗物質(zhì)、暗能量本質(zhì)的研究，深化人類(lèi)對(duì)宇宙演化規(guī)律的認(rèn)知。同時(shí)，也將為中國(guó)空間站巡天望遠(yuǎn)鏡、歐洲空間局歐幾里得空間望遠(yuǎn)鏡等大型巡天項(xiàng)目，提供重要的科學(xué)支撐。