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日前,本报报道了紫金山天文台将用“天河一号”模拟宇宙成长的消息,引起了众多读者的关注。神奇的宇宙成长模拟实验如何完成?通过实验天文学家能看到“宇宙”的什么?昨天,记者再次采访了中科院紫金山天文台的专家。

紫台专家已依托百万亿次超级计算机——“联想深腾7000”完成了一次大型模拟宇宙的试验。该项目的参与者之一、紫金山天文台研究员盘军就以这次试验为记者描述了在计算机上是如何实现宇宙成长模拟的。

盘军说,在运算速度百万亿次的“联想深腾7000”进行的模拟实验中,科学家们建立了一个边长为45亿光年(约4千万亿公里)的立方体作为虚拟宇宙。“之所以建成这么大,是因为目前银河系的直径才8万光年,这个虚拟的‘宇宙’对于实验来说已经足够大。”

超级计算机算些啥?算300亿个“暗物质”如何在引力作用下“折腾”

立方体模拟宇宙建立起来后,科学家们往里面“放”300亿个虚拟粒子。盘军说,这300亿个粒子代表暗物质。在宇宙形成的最初,物质都是均匀分布的。因此,科学家在实验一开始也让这300亿个粒子在“宇宙”内均匀分布。随后,受引力作用,暗物质在“宇宙”中开始发生各种各样的运动变化,“这就是真实宇宙诞生的过程”。盘军说,利用超级计算机追踪这300亿粒子在引力作用下运动的细节,就能模拟出宇宙的成长。

该项目的另一位参与者,紫金山天文台研究员冯珑珑告诉记者,整个“联想深腾7000”实验,模拟完成了宇宙140亿年的演变,用超级计算机跑了50多万个CPU小时,差不多相当于整整13天。通过对海量数据的分析,科学家们发现了很多以前未知的宇宙变化新特征,堪称用13天“看到”了宇宙140亿年。

“天河一号”将重现超大质量黑洞的形成过程

“联想深腾7000”的运算速度是百万亿次,而“天河一号”的速度将达到千万亿次。盘军说,这将完成更加复杂的宇宙成长模拟。因为真实宇宙中90%以上是暗物质,还有5%左右是构成生命和星体等的普通物质。

在“天河一号”上进行模拟时,科学家们将在模型中放入代表普通物质的虚拟粒子,并在引力作用之外,加入电磁力、强力等。这样将模拟出一个更加真实的宇宙演变过程,在更大程度上帮助天文学家理解星系的形成和演化,以及超大质量黑洞的形成过程。

他还透露,借助“天河一号”的超强计算能力,模拟实验中可加入更多的虚拟粒子,形成的模拟图像将更清晰,计算误差也将更小。而这一宇宙模拟实验也引起了国际学术界的关注,欧洲一家天文研究机构近期主动提出希望与中国天文学家联手完成相关科研。

大约在140亿年前,宇宙中所有的物质都高度集中在比原子还要小的一点上,有着极高的温度,由此引发了一次大爆炸。之后,物质开始向外膨胀,形成一些基本粒子,在能量作用下,逐渐变成宇宙中的各种物质。星系团、星系、银河系、恒星、太阳系、行星、卫星等天体和宇宙物质一一诞生,经过漫长的演变,发展成为当今的宇宙形态。

这是全世界影响力最广的宇宙起源学说,但目前还仅仅建立在科学家的推断和简单印证的基础上。各国天文学家都试图进行深入研究,并想方设法模拟和还原出宇宙演变的全过程。中科院紫金山天文台、国家天文台、上海天文台和中科院计算机网络信息中心的中青年学者组成了“中国计算宇宙学联盟”,提出了大型宇宙学数值模拟计划“盘古计划”,计划依托我国自主研发的超级计算机,模拟宇宙140亿年演化的全过程。日前,该实验已在中科院超级计算中心的百万亿次超级计算机“联想深腾7000”上完成。据悉,这也是迄今为止全世界同等尺度上规模最大、精度最高的宇宙数值实验。


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