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计算机模拟宇宙演化

时间:2022-10-23 13:35:07 来源:网友投稿

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第二个模拟项目叫做“大巨型模拟”(BigBolshoi)或“多重暗模拟”(MultiDark),2010年运行,所用宇宙质点数量和“巨型模拟”一样多,但是所模拟空间的大小是40亿光年——每个边长都是“巨型模拟”的4倍,体积则是后者的64倍之多。虽然分辨率不及“巨型模拟”,但是“大巨型模拟”可以预言星系团和其它大尺度宇宙结构的性质和分布。它的结果可以帮助重子振荡分光巡天(Baryon Oscillation SpectroscopicSurvey,BOSS)等项目,这些项目旨在通过测量宇宙膨胀的历史来确定暗能量的性质。

2011年秋季,第三个分辨率更高的模拟——“迷你巨型模拟”(miniBolshoi)——在“昴星团”计算机上开始运行,它会模拟很多小范围区域(直径数百万光年)的形成过程与分布,其中总共可以含有数百个质量与银河系相当的星系。它的分辨率很高,足以模拟这些星系周围可观测到的最小的矮星系。在改进了模拟程序之后,有望在2012年完成“迷你巨型模拟”。我们希望,能够通过统计这些伴矮星系的数量变化来弄清为什么巨型星系周围的伴星系看上去比理论预期要少。如果理论预言和实际观测不一致,或许我们就需要一个能够替代标准人冷暗物质宇宙学的理论了——例如,尽管暗物质粒子只受引力作用,而且与普通重子物质的相互作用非常微弱,但它们自身之间具有相当强烈的相互作用。

新的实验科学

迄今为止,宇宙学都是一门历史性的、纯观测性的科学。和地质学、古生物学一样,宇宙学作为历史性科学的主旨也是通过数百万年至数十亿年前遗留下的证据来重构宇宙、地球和生命的演化史。地质学家和古生物学家是在实验室里研究岩石标本或生物遗骸的化石标本。而这两门学科的难度尽人皆知,因为地球活跃的地质活动摧毁了远古的地质学证据。所以,极少有生命体能够变为化石,而我们找到的化石更为罕见。

天文学家研究宇宙的主要方式是接收和分析天体在亿万年前所发射的电磁辐射的波谱(此外还有宇宙射线、中微子携带的信息,未来还将包括引力波)。在所有波段上发出的这些辐射仍然在宇宙中面临重重阻隔地跋涉而来。天文学家们已经掌握了三种关键工具来解读这些“化石”光子:地面上和大气层以外的巨型望远镜等设备,用于捕获这些光子;精妙的理论,用于解读这些光子蕴含的信息;高性能的超级计算机模拟,用以在这些观测和理论的基础上构建宇宙模型。

在这一研究进程中,超级计算机是必不可少的工具。宇宙学家们不可能从现实的宇宙中切出一大块来进行实验室研究,所以他们必须使用计算机来进行实验。超级计算机模拟重现了宇宙从大爆炸后不久开始的几乎整个演化历程,可以高清晰、形象化地展现其中的每个片段。天文学家可以借助它弄清楚,初始条件和物理假设在宇宙开始那一瞬的微妙变化将给宇宙演化带来怎样的影响,并得到将来可由实际天文观测检验的科学预言。大体上我们可以如是说:因为有了计算机宇宙模拟技术,天文学正在变为一门实验性的科学。

——译自《天空与望远镜》(2012年7月号)

(责任编辑:郭晓博)

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