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新华网5月13日报道(记者王握文、于冬阳),国家超算广州中心13日透露,由北京师范大学天文系教授张同杰领衔的宇宙中微子数值模拟团队,在“天河二号”超级计算机系统上成功完成了3万亿粒子数的宇宙中微子和暗物质数值模拟,揭示了宇宙大爆炸1600万年之后至今约137亿年的漫长演化进程。中国“天河二号”完成宇宙暗物质数值模拟 可推演137亿年宇宙历史张同杰(右一)领衔的研究团队

有专家指出,这一研究成果为通过天文观测手段研究宇宙中微子及其质量打开了一扇新的大门,有望大大缩短人类探索宇宙起源与演化奥秘的时间进程,对基础科学、宇宙环境、地球生态、矿藏勘探等领域的科学研究将起到积极的推动作用。

中微子是自然界中最基本的粒子种类之一,不带电,运动速度快,目前的物理学实验和宇宙学观测都无法测定中微子的绝对质量。但中微子对宇宙早期星系和大尺度结构的形成会产生微弱的抑制作用,后者可以通过大规模宇宙学数值模拟被间接“测量”,从中获得中微子质量信息。但这种大规模宇宙学数值模拟,必须依赖具有强大计算和存储能力的超级计算机。

2013年底,国防科技大学研制的世界最快超级计算机“天河二号”在国家超算广州中心投入运行。由北京师范大学、国防科技大学、加拿大理论天体物理研究所、北京大学、中科院高能物理研究所联合组成的宇宙中微子数值模拟团队,经过一系列技术攻关,在“天河二号”上成功进行了3万亿粒子数中微子和暗物质的宇宙学数值模拟。中国“天河二号”完成宇宙暗物质数值模拟 可推演137亿年宇宙历史模拟宇宙中微子和暗物质的分布图

据张同杰教授介绍,进行多达3万亿粒子数中微子和暗物质的宇宙学数值模拟,目前世界上只有“天河二号”能担此重任。它好比一架像素极高的“超高速摄像机”,通过上述模拟还原出宇宙清晰而漫长的演化“视频”,使宇宙大爆炸1600万年之后至今约137亿年的漫长演化过程得以“呈现”,为通过天文观测手段测量中微子质量带来新的契机和希望。中国“天河二号”完成宇宙暗物质数值模拟 可推演137亿年宇宙历史星系团CI 0024+17中的暗物质环(哈勃望远镜拍摄后合成,NASA于2007年5月公布)

张同杰:与更多人一起仰望星空

“透过天文望远镜,我们能够清清楚楚地看见过去,甚至是宇宙诞生后50万年的图像。我们所看到的太阳实际上是8分钟前的太阳。而在太阳系之外,银河系之外,光要走几十万甚至几百万年才能到达我们这里。所以在天文学上距离我们越远的天体也是宇宙越年轻时诞生的天体。”张同杰谈起自己的研究领域来显得兴致勃勃,“在时间上,宇宙的年龄大约是137亿年,在空间上,再过10年或者20年,天文学家通过先进的望远镜可能把整个宇宙都观测到。”中国“天河二号”完成宇宙暗物质数值模拟 可推演137亿年宇宙历史张同杰(资料图)

对于宇宙的形成与演化,目前国际上天体物理学家从理论上进行了各种大胆的推测:前宇宙、平行宇宙……大寒冷型、大挤压型等等……不一而足。

“理论上我们可以预言的宇宙可能有很多个,但是真实的宇宙只有一个。”近几年,张同杰带领他的学生,集中力量在宇宙学的数值模拟方面,开展了弱引力透镜方面的研究。

遥远的天体如类星体等发出的光,经过星系、星系团或者宇宙大尺度结构到达我们的望远镜的过程中,由于引力场的作用会发生引力偏折,造成该天体或类星体可能会形成几个像,这就是引力透镜效应。如果遥远的天体是一个星系,大尺度结构引力场的扰动就会使星系的形状发生变化,这就是弱引力透镜效应。

“我们的研究目的是希望通过对引力透镜现象的观测来确定宇宙中这些透镜体如大尺度结构中具有引力性质的物质所占的比例。目前能够观测到的宇宙中物质成分占了30%左右,其中包括用一般的电磁波能探测到的重子物质,以及只能间接探测到的暗物质;而另外70%左右则是具有排斥力引起宇宙加速膨胀的暗能量,它是我们目前很难直接观测到的组成部分,也是宇宙中我们最不清楚其性质的宇宙组成部分。”

在银河系、星系团和大尺度结构形成的过程中,它们是从早期很小的密度扰动,经过了引力不稳定性慢慢从线性演化阶段到非线性演化阶段而逐渐形成的。在经过非线性阶段的时候,会损失很多信息。张同杰和学生们通过小波技术,利用数值模拟出的图像,能有效找回损失掉的信息,“找回的信息越多,我们对宇宙的理解也就越清楚,这是我们最近几年做的非常有意义的工作。”他和研究生于浩然关于这方面最近的研究成果已经在国际著名刊物《天体物理》杂志上发表。

另外,他们从2006年以来,一直坚持研究一项国际前沿问题,即利用哈勃参量数据对宇宙学模型进行限制。宇宙学参量就是指宇宙中物质、暗能量等的数据情况。在张同杰科研团组做这项工作之前,美国有一个小组,通过利用星系的年龄而得到的数据,对标量场的势进行了限制,但是他们没有把这批数据用在宇宙学参量的限制上。

“我们是国际上第一个把这批数据应用在宇宙学参量限制上的科研团组,现在国际上很多这方面的研究同行都在关注我们的这项工作的成果,所以引用率很高。”

张同杰研究团队的成果虽然现在还不是国内天文学界最多最好的,但是他们一直在脚踏实地地努力着,瞄准国际前沿,不断探索着宇宙学的奥秘。他就像一个执著的守望者,用自己的思索和发现,试图揭开那片星空的神秘面纱,让大众认识一个真实的宇宙。

(观察者网综合新华网、北师大校报

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