不明觉厉：啥是宇宙学计算机模拟？ 为探索宇宙提供新方向！

审核专家：郑远攀

郑州轻工业大学教授

宇宙，总是寄托着人们许多奇幻而旖旎的思索，是《三体》中那片勃勃生机，包容各类文明存在的空间；是《星际穿越》中的那个良夜，是凝滞时间但传递爱意的神秘存在；是《宇宙探索编辑部》中那个寄托孤独的荒诞而疯狂的梦境。

来源丨pexels

那片遥远而神秘的未知空间似乎包含着一切可能，而在向宇宙迈进的每一步都使人欣喜若狂。在众多宇宙学神秘问题中，物质分布和宇宙演化是两个关键环节。为了更好地理解宇宙的演化过程，科学家们开展了迄今为止最大规模的宇宙学计算机模拟——FLAMINGO(FLow of AMmonia IN the Galaxy and Other galaxies)。

什么是新一代超强计算机模拟

FLAMINGO超级计算机模拟是基于宇宙中的所有成分——普通物质、暗物质和暗能量进行计算的，目的是研究宇宙中的物质是如何根据物理定律进行演化。项目汇集了来自英国达勒姆大学、荷兰莱顿大学和英国利物浦约翰摩尔斯大学的研究人员，他们希望通过超级计算机的模拟，将虚拟宇宙与实际观测结果进行对比，以检验宇宙学标准模型的准确性。

以前没有这类模拟吗？这就要涉及到一个底层观念的变化。过去用于比较宇宙观测结果的超级计算机模拟主要集中在暗物质上，科学家们认为它是宇宙结构的关键组成部分。然而，现在科学家家们认为，要了解宇宙是如何演化的，还必须考虑到普通物质（占宇宙所有物质的 16%）的影响。

FLAMINGO首席研究员、莱顿大学的Joop Schaye教授表示：“尽管暗物质主导着引力，但普通物质的贡献不能再被忽视，因为这种贡献可能类似于模型与观测之间的偏差。”可以说新一代超级计算机的运用支撑起了对宇宙观察视角的一次跃进。

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而普通物质带来的偏差，不仅来自于引力作用，还来自气体压力等其他力量的影响。这些力量可能导致普通物质从星系中被喷出或被重新吸收，从而影响星系的形成和演化。这些过程一般很难预测，因为它们取决于星系内部的爆炸，比如活跃的黑洞和超新星。为了模拟这些过程，天文学家需要用一台强大的运算机器来校准模型的参数，使得模拟的结果能够与观测到的星系质量和星系团中的气体分布相一致。

宇宙的重要参数

在科学界的视野中，宇宙的属性是由一些被称为“宇宙学参数”的数字决定的，这些参数包括宇宙的密度、膨胀速率、宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background，CMB）的特性等。

在研究宇宙时，天文学家有时会使用S8(Sigma-8) 参数，它基本上表征了我们宇宙中所有物质的“块状”或强烈聚集程度，可以通过低红移观测来精确测量。比如，天文学家用红移来测量一个天体距离地球有多远，而像 "弱引力透镜测量 "这样的低红移研究可以揭示在遥远的、更古老的宇宙中发生的事情。

来源丨Flamingo Virgo Consortium

同时，S8参数也可以用宇宙学标准模型来预测；科学家们基本上可以调整该模型，使其与CMB的已知特性相匹配，并由此计算出物质的块度。

在实验中，科学家发现S8与弱引力透镜测量结果存在差异，他们称之为“S8张力”。但是，新一代计算机模拟没有为S8张力产生的原因提供答案。

这种差距对于科学研究来说，是个大问题。因为新一代计算机本身已经考虑到了普通物质的存在以及一些最极端的银河风，但是依然不足以解释当今宇宙中观察到的弱物质聚集。

然而神奇的是，在CMB和低红移测量之间探测宇宙结构的测量结果与标准模型预测完全一致，这似乎说明在宇宙历史的很大一部分时间里，宇宙的演化符合预期，但后来宇宙发生了一些变化。

所以，总的来说FLAMINGO超级计算机模拟的成果有助于科学家们更深入地了解宇宙学标准模型的准确性，以及普通物质和暗物质在宇宙演化过程中的作用，为未来的宇宙学研究提供了新的方向。

充分利用FLAMINGO超级工具

随着科技的不断进步，计算机模拟在宇宙学领域的作用愈发重要。通过更高精度的模拟，科学家们有望进一步揭示宇宙的起源、演化和命运。

FLAMINGO 项目作为这一探索过程中的重要里程碑，展示了人类在探寻宇宙奥秘之路上的决心和智慧。

宇宙学涉及大量复杂的物理定律和模型，高性能计算有助于科学家们更准确地模拟宇宙的演变过程。FLAMINGO快速处理大量数据，满足宇宙学研究中对高精度计算的需求。

FLAMINGO是有史以来用普通物质完成的最大的宇宙计算机模拟，是在一个边长为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)。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(Simulating the Wider and Interconnected Future of The universe)，它可以有效地将计算工作分配到多达3万个CPU上。”

来源丨space.com

因此FLAMINGO具备了精细的模拟效果能力，通过这种能力，我们可以实现对宇宙中各种成分，如暗物质、暗能量、普通物质等的精细模拟，重现宇宙中行星、恒星和星系的形成与演化过程。这有助于科学家们深入探究宇宙的起源、演化和结构，解答宇宙中的诸多谜团。

总之，FLAMINGO 超级计算机模拟为宇宙学研究提供了一个强大的工具，有助于揭示宇宙的演化过程和物质分布。通过对普通物质、暗物质和暗能量的深入研究，科学家们将进一步破解宇宙学的奥秘，为人类解锁宇宙的神秘面纱。在这个充满挑战和机遇的领域，我国科学家也将继续努力，为探索宇宙的边界和奥秘贡献自己的力量。