科学家利用超级计算机模拟早期宇宙

参考消息网报道 据西班牙《阿贝赛报》网站10月27日报道，在所有科学谜团中，有一个终极谜团：宇宙是如何诞生的？它的最初发展历程是怎样的？我们周围存在的所有物质，无论是普通物质还是暗物质，究竟从何而来？那个原始、炽热且几乎完全黑暗的宇宙，又是如何演变成我们今天所看到的由恒星、星系和行星构成的浩瀚宇宙的？

要回答这些问题，仅靠观测天空是远远不够的。这需要通过计算和模拟，重构宇宙刚刚诞生时发生的一切。这正是Lumina项目要实现的宏大目标。Lumina由哈佛-史密森天体物理学中心的研究人员开发，是迄今为止针对宇宙诞生初期所创建的最宏大、最精确、最全面的宇宙学模拟项目之一。相关成果最近发表在《皇家天文学会月刊》上。

与之前的里程碑式成果(例如2021年发布的著名国际模拟项目Uchuu，该项目成功绘制了暗物质的结构图)不同，Lumina通过整合所谓的“辐射流体动力学”，实现了巨大的飞跃。

该模型并非试图解释是什么引发了大爆炸。这仍然超出了我们的认知范围。但它的目标同样意义非凡：弄清宇宙的组成要素在其存在的最初阶段是如何演化的，以及它们如何最终形成我们今天所见的结构。

Lumina并非简单的静态星图，而是一个巨大的三维虚拟实验室。它忠实地再现了普通物质、暗物质和辐射在宇宙历史最初20亿年间是如何相互作用的。换言之，它将我们带回大爆炸之后的时期，那时首批星系开始发光，用其光芒“撕裂”了广阔而寒冷的星系间气体区域。它构成了一个名副其实的实验室，可以用来研究詹姆斯·韦布空间望远镜近年来所获得的那些令人费解的发现。

该模拟覆盖了一个边长相当于15亿光年的立方体区域，其覆盖的空间比此前最先进的模拟扩大了100倍。尽管范围如此广阔，它仍保留了研究那些改变了宇宙的星系和辐射源所需的细节。

“得益于韦布望远镜，”该研究的主要作者奥利弗·齐尔介绍说，“早期宇宙已成为天体物理学一个令人兴奋的新前沿。但要理解我们用这台望远镜观测到的景象，我们需要将理论转化为详细的预测。经过数年的努力，其间经历了不少起伏，但看到模拟结果，并目睹我们的预测在视频中栩栩如生地呈现出来，真是令人无比欣慰。”

也就是说，Lumina使我们能够实时观察气流、暗物质的巨大引力以及新生光辐射如何相互碰撞、融合并彼此塑造。

该模型也是首个成功重现氢和氦同时再电离过程的模型。要知道，在经历了剧烈的诞生之后，宇宙曾是一片由中性气体构成的浓密、不透明的“雾”，光线无法在其中自由传播。Lumina以极其精细的细节展现了第一批恒星的辐射如何像一座强大的灯塔，逐渐驱散这片迷雾，使宇宙变得透明，正如我们今天所见的那样。

“能够构建出像Lumina这样的模拟，我们感到非常幸运。”得克萨斯大学达拉斯分校的物理学家、该论文合著者阿伦·史密斯说，“我们首次能够细致追踪氢和氦如何在如此广阔的宇宙空间中演化成其现代形态，同时继续研究推动这一演化的星系及其他发光天体。”

就在几年前，如此惊人的计算壮举还根本无法实现。事实上，为了完成这项模拟所需的计算，研究人员让美国橡树岭国家实验室的“前沿”超级计算机(全球运行速度最快超级计算机之一)的15000多个图形处理单元协同工作。这项计算任务总共处理了约4320亿个分辨率元素。

正是用这种强大的计算能力保持前所未有的分辨率水平，研究人员才得以同时研究宇宙网的大尺度结构和单个黑洞的精细形成过程。（编译/田策）