超級計算機模擬宇宙的進化過程 _美國

近日，美國斯坦福大學的柯維里（Kavli）粒子天體物理學與宇宙學研究所(KIPAC)的一組物理學家通過一臺超級計算機模擬宇宙的進化過程。事實上，可以想象如果我們已知各種物理定律并將其載入一臺超級計算機中，便可以觀察到虛擬宇宙的進化過程，通過超級計算機研究宇宙學是當前的一種研究途徑。

“可視化”的宇宙
目前，這項龐大的“虛擬宇宙”計劃已經對外演示研究成果，不僅從天體物理學的角度出發，而且也具有藝術特點。隸屬于美國能源部的斯坦福直線加速器中心（SLAC）加速器實驗室就此對外展出宇宙演化的3D視頻，位于紐約市和舊金山的天文館也展覽點之一。在視頻中，從暗物質到恒星形成的一切宇宙物質都被計算機所模擬呈現，甚至可以模擬出兩個星系間發生劇烈碰撞最后合并成一個星系的景象。

宇宙中如影隨形的“暗物質”
柯維里粒子天體物理學與宇宙學研究所科學家團隊將宇宙誕生的全過程壓縮在數分鐘的動畫演示視頻中，不論是在數毫秒內發生的超新星爆發，還是長達137.5億年的宇宙年齡，都能在虛擬動畫中體現，并形成了高達數萬億比特的龐大數據。
根據斯坦福大學物理系的副教授、柯維里粒子天體物理學與宇宙學研究所計算物理系主任湯姆·阿貝爾（Tom Abel）介紹：我試圖預測宇宙過去發生的事件，探索宇宙是通過何種方式演化至今的。令宇宙學家特別感興趣的是神秘的暗物質，我們對這些“看不見”的物質探索僅停留在理論上，暗物質不僅彌漫在整個宇宙中，而且還占到了宇宙總質量的很大一部分。因此，視頻中所看到的在早期宇宙中形成的巨型暗物質結構并不只是一種“美麗的景象”，它對宇宙學的研究至關重要。

壯觀的星系合并景象
設想一下兩個螺旋星系由于彼此間的引力效應而發生碰撞的現象，在星系合并之前，兩個星系中的無數恒星如同舞蹈般在引力的作用下飄散。然而，有天體物理學家預測并觀測過星系間的合并現象，認為雖然對兩個星系而言是“破壞性事件”，但該機制卻可以引發新的恒星誕生。
據斯坦福大學柯維里粒子天體物理學與宇宙學研究所博士后研究員奧利弗·哈恩（Oliver Hahn）介紹：這些漂亮的虛擬場景并不只是屏幕保護程序，其向我們展示了宇宙是如何進行“工作”的。奧利弗·哈恩通過使用可視化的工具來支持他的工作。

神奇的“矮星系”
“矮星系”顧名思義相對于大星系而言顯得個頭上較小，光度上較暗一些，比如船底座矮星系、仙女座大星系等。本項研究模擬顯示一批最早誕生的“矮星系” 。在宇宙大爆炸發生后的數百萬年，“矮星系”便開始形成，有些研究人員認為我們現在看到的諸如銀河系這樣的大型星系，是由“矮星系”合并所形成的。

宇宙中的第一批恒星
早期宇宙中誕生的第一批恒星質量是非常巨大的，可以通過對原始星系中蘊藏的氫使其電離，不斷壯大自己。但這些恒星的生命周期很快便結束了，可謂是“英年早逝”，形成了蔚為可觀的超新星爆發。斯坦福大學柯維里粒子天體物理學與宇宙學研究所的宇宙進化模擬器使用強大的計算機處理能力將觀眾們帶入各種宇宙“暴力美學”中，如同身臨其境。
相關研究人員認為：創建宇宙演化虛擬場景是一件真正的樂事，因為今天的計算機和軟件具有非常強大的功能，不久前我們完成了耗時數星期的一個虛擬場景制作，現在利用一個下午的時間還能再完成一個，這就是一個令人沉醉其中的環境。我們可以探索宇宙三維空間的數據，在宇宙學的數據中遨游是一中非常奇妙的感覺。圖中顯示了嬰兒恒星點燃了一團稠密的氫氣體云，并開始燃燒。

好萊塢式的虛擬天體物理實驗室
天體物理學家的工作便是觀測天體，然后嘗試著其探索、解釋所觀測的天體或者現象，并創建出一個模型來總結所發現的規律。這些模型將使用已知的物理定律去推演出所觀測到的天體現象。現在，天文學家的實驗室中有了媲美好萊塢式的可視化工具，制作出令人興奮的天體物理現象，通過找出并設定最復雜的機制模擬出宇宙的形狀。
例如，斯坦福大學柯維里粒子天體物理學與宇宙學研究所的可視化設備通過在一個虛擬的立方體內模擬出100個星系團的形成過程，幫助斯坦福的研究人員理解星系團的形成與構造，這個虛擬的立方體結構每條邊相當于45億光年的距離。這些虛擬場景可能算得上漂亮的動畫，但其制作的過程帶著強烈的科學動機。
【超級計算機模擬宇宙的進化過程】
騰訊科技訊（Everett/編譯）