宇宙如何形成演化？中国科学家领衔国际团队发布“千衍”模拟首批成果

近日，由中国科学家领衔的国际团队对外发布了超大规模宇宙学N体模拟项目“千衍”的首批研究成果：从大爆炸之后的宇宙早期开始，通过计算宇宙中物质的引力作用，“千衍”高精度模拟再现了百亿年尺度上宇宙大尺度结构的形成与演化过程。

中国科学院国家天文台研究员高亮说，科学家们通过天文望远镜观看到的宇宙是一个个短暂的瞬间，但这些瞬间拼凑起来是什么样的，大家并不清楚。此次模拟在边长约120亿光年的宇宙空间尺度上，使用约4.2万亿个暗物质粒子，高精度追踪暗物质在宇宙演化过程中的聚集和结构形成，并输出100个演化阶段的模拟快照，为人类探索宇宙奥秘提供了一份高精度数字导引图谱。

明明现实中就有真实宇宙，为何还要大费周章在计算机里模拟一个“宇宙”？中国科学院国家天文台副台长赵公博解释，很多时候科学家观测到了某些星际天体，但其背后隐藏着什么样的物理规律，无从得知。如果这时我们把已知的物理规律告诉计算机，让计算机根据这些规律去模拟天体的形成演化过程，生成一个虚拟宇宙。然后，再将模拟结果与真实观测数据进行比对——如果两者吻合，说明我们对物理规律的理解可能是正确的；如果出现偏差，就暗示背后还有未知的新物理规律等待发现，这样我们可以更高效地探索真实宇宙的运行奥秘。

“我们正进入一个新时代：对巨大宇宙学体积的巡天观测，有潜力彻底改变我们对暗能量、宇宙暴胀以及中微子性质的理解。”美国德克萨斯大学奥斯汀分校　Mike Boylan-Kolchin 教授表示，要实现这一目标，我们需要与之匹配的先进理论工具。“千衍”模拟将帮助我们从宇宙观测中揭示基础物理规律。它在模拟体积和质量分辨率的覆盖范围上前所未有，使我们能够详细预测大量相对常见星系在宇宙网中的分布方式，也能研究那些本身罕见且富有研究价值、但在较小体积模拟中难以触及的天体的性质。未来多年里，“千衍”模拟都将成为星系形成和宇宙学研究领域的重要标志性成果。

据介绍，借助星系形成半解析模型，“千衍”模拟可生成星系星族、光度、颜色、光谱能量分布以及虚拟观测图像等信息。通过将高精度虚拟宇宙与实际观测进行比较，它将为研究暗物质、暗能量等基础宇宙学问题提供重要支撑，深化人类对星系演化规律的认知。同时，模拟数据也将为中国空间站巡天望远镜（CSST）、欧洲空间局欧几里得空间望远镜（Euclid）等大型巡天项目提供重要的科学支撑。

据了解，宇宙学数值模拟是国际超级计算机平台上的核心科学应用，这类模拟往往需要长期占用大规模超算资源，其超大规模、超长运行时间所带来的技术挑战也是宇宙学与高性能计算交叉领域的重要研究方向。“千衍”模拟使用了由国家天文台团队自主开发的软件PhotoNs，该软件面向国产自主超算平台进行了深度优化。经过数年攻关，团队成功实现了在上万张加速卡上进行长时间高效稳定计算的能力。

“千衍”模拟项目首篇学术论文近日已在国际学术期刊《皇家天文学会月刊》（MNRAS）正式发表。论文以著名大质量并合星系团阿贝尔2744为研究对象，检验了“千衍”模拟研究极端稀有天体的能力。结果表明，即便在高度非线性、结构极端复杂的星系团环境中，ΛCDM标准宇宙学模型仍能给出与观测相符的描述。（经济日报记者 沈慧）