把浩瀚星辰裝進計算機！中國超算為造虛擬宇宙提供硬核支撐

近日，中國科學院國家天文臺發布了超大規模宇宙學模擬項目“千衍”。這個模擬“宇宙”將邊長約120億光年的宇宙空間裝進計算機，使用約4.2萬億個暗物質粒子，高精度追蹤暗物質在宇宙演化中的聚集和結構形成過程。科學家為什么要建一個模擬的“宇宙”？通過這份數字導引圖，我們能看到宇宙的哪些奧秘？

一場大爆炸，迎來了宇宙的初生，這是科學界關于宇宙起源的主流理論。中國科學院國家天文臺副臺長趙公博介紹，人類擁有各類天文望遠鏡用于宇宙觀測，但模擬構建虛擬宇宙的價值，在于高精度給出理論模型的預測，用于對比觀測數據，為探索宇宙奧秘提供關鍵支撐。

所謂數字虛擬宇宙，是指科研人員依托超級計算機的強大算力，模擬出的一個與真實宇宙十分相似的數字化的宇宙。

科學家們為這個超大的數字虛擬宇宙取名為“千衍”。它覆蓋了邊長約120億光年的宇宙空間，使用約4.2萬億個暗物質粒子。趙公博解釋，這個模擬宇宙能讓科學家“看到”真實宇宙中目前很難看到的東西。

論文第一作者、中國科學院國家天文臺研究員王喬表示，“千衍”通過模擬技術，高精度追蹤暗物質在宇宙演化過程中的聚集與結構形成，最終輸出100個演化階段的模擬快照，完整還原了宇宙從早期到如今的“成長軌跡”。

目前，對極端稀有天體的模擬，也已經在“千衍”中成為現實。距離地球約40億光年的著名大質量并合星系團阿貝爾2744，由多個星系團碰撞并合而成，結構極為復雜，是檢驗宇宙學模型的重要樣本。

研究團隊從模擬中篩選出與阿貝爾2744相似的星系團，王喬表示，測試結果顯示，與詹姆斯·韋伯空間望遠鏡的實際觀測結果高度吻合充分驗證了“千衍”的超高數值模擬精度與精細化星系建模能力。

模擬宇宙演化過程，需要長時間、大規模動用超算資源，中國科學院“東方”超級計算機，成為支撐此次宇宙數值模擬的重要基礎。在這個超級計算平臺的支持下，“千衍”還可能為我們帶來哪些新的認知呢？

“千衍”能夠實現超大規模、高精度的宇宙模擬，離不開國產技術的硬核支撐。中國科學院國家天文臺團隊歷時數年攻關，自主開發了相關軟件，對國產自主超算平臺完成深度優化，實現了超大規模、超長運行時間的高效穩定計算。在東方超算4096節點運行1.6萬張加速卡，歷時大約18天，模擬“宇宙”在計算機中顯現。

論文共同第一作者、北京師范大學天文學系教授郭琦指出，“千衍”在模擬體積和質量分辨率的覆蓋范圍上前所未有，使我們能夠詳細預測大量相對常見星系在宇宙網中的分布方式，也能研究那些本身罕見且富有研究價值、但在較小體積模擬中難以觸及的天體的性質。

王喬指出，未來，“千衍”將持續優化模擬精度、拓展模擬范圍，進一步助力暗物質、暗能量本質的研究，深化人類對宇宙演化規律的認知。同時，也將為中國空間站巡天望遠鏡、歐洲空間局歐幾里得空間望遠鏡等大型巡天項目，提供重要的科學支撐。