中國科學家領銜國際團隊構建出數字虛擬宇宙

近日，由中國科學家領銜的國際團隊發布超大規模宇宙學 N 體模擬項目“千衍”（HyperMillennium）的首批研究成果，該模擬在邊長約120億光年的宇宙空間尺度上，使用約4.2萬億個暗物質粒子，通過 N 體模擬技術，高精度追蹤暗物質在宇宙演化過程中的聚集和結構形成，并輸出100個演化階段的模擬快照，為人類探索宇宙奧秘提供了一份高精度數字導引圖譜。

此次發布的“千衍”模擬從大爆炸之后的宇宙早期開始，通過計算宇宙中物質的引力作用，高精度模擬再現了百億年尺度上宇宙大尺度結構的形成與演化過程。借助星系形成半解析模型，“千衍”模擬還可生成星系星族、光度、顏色、光譜能量分布以及虛擬觀測圖像等信息。通過將高精度虛擬宇宙與實際觀測進行比較，將為研究暗物質、暗能量等基礎宇宙學問題提供重要支撐，深化對星系演化規律的認知。同時，模擬數據也將為中國空間站巡天望遠鏡（CSST）、歐洲空間局歐幾里得空間望遠鏡（Euclid）等大型巡天項目提供重要的科學支撐。

宇宙學數值模擬是國際超級計算機平臺上的核心科學應用，這類模擬往往需要長期占用大規模超算資源，其超大規模、超長運行時間所帶來的技術挑戰也是宇宙學與高性能計算交叉領域的重要研究方向。“千衍”模擬使用了由國家天文臺團隊自主開發的軟件PhotoNs，該軟件面向國產自主超算平臺進行了深度優化。經過數年攻關，團隊成功實現了在上萬張加速卡上進行長時間高效穩定計算的能力。這也表明我國在宇宙學與高性能計算交叉融合方面取得重要突破。

美國德克薩斯大學奧斯汀分校Mike Boylan-Kolchin教授評價：“我們正進入一個新時代：對巨大宇宙學體積的巡天觀測，有潛力徹底改變我們對暗能量、宇宙暴脹以及中微子性質的理解。要實現這一目標，我們需要與之匹配的先進理論工具?！а堋M是一項計算奇跡，將幫助我們從宇宙觀測中揭示基礎物理規律。它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。未來多年里，‘千衍’模擬都將成為星系形成和宇宙學研究領域的重要標志性成果?！?/p>

德國馬普天體物理研究所所長Volker Springel教授表示：“‘千衍’模擬重新定義了當今數值宇宙學所能達到的水平。該團隊成功實現這一超大規模、高精度的模擬，令我印象極為深刻。其強大的統計效能使我們能夠對 ΛCDM 宇宙學模型開展新的高精度檢驗，這對該領域而言非常重要?！?/p>

“千衍”模擬項目首篇學術論文近日已在國際學術期刊《皇家天文學會月刊》（MNRAS）正式發表。論文以著名大質量并合星系團阿貝爾2744為研究對象，檢驗了“千衍”模擬研究極端稀有天體的能力。距離地球約 40 億光年的阿貝爾 2744 由多個星系團碰撞并合而成，結構極端復雜，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 相似的類比體，并生成類 JWST 觀測圖像和引力透鏡質量分布圖?；谙袼亟y計的比較顯示，在考慮觀測選區偏差后，模擬類比體與 JWST 觀測結果在星系數密度、光度密度和投影質量密度分布上高度一致。結果表明，即便在高度非線性、結構極端復雜的星系團環境中，ΛCDM 標準宇宙學模型仍能給出與觀測相符的描述。

中國科學院國家天文臺王喬研究員、李明副研究員為論文共同第一作者并共同通訊作者，郭琦教授為共同第一作者；高亮教授為通訊作者，負責項目整體設計與研究推進。研究團隊成員中包括多位邵逸夫獎和格魯伯宇宙學獎獲得者。

“千衍”模擬依托中國科學院計算機網絡信息中心“東方”（ORISE）超級計算機完成，得到中國科學院戰略性先導科技專項（B類）、科技部重點研發計劃及國家自然科學基金等項目資助。項目軟件開發與測試得到國家超級計算鄭州中心支持，首批數據計劃后續通過國家天文科學數據中心向全球發布。

論文 DOI：10.1093/mnras/stag540

來源：中國科學院國家天文臺

（本文編輯：劉四旦）

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