用來說明宇宙大尺度結構與星系形成的全球最大模擬宇宙出爐


日本天文學家使用日本國立天文台超級電腦的全部功能進行模擬,成功建立世界上最大的模擬宇宙。這些模擬宇宙數據將以任何人都可以使用的形式發佈,將有助於清楚解釋宇宙的結構形成和天體形成的奧秘。

我們的宇宙具有層次結構,其中有由數千億顆恆星組成的星系群,有數百個星系聚集的星系團,這些星系團構成宇宙的大尺度結構。暗物質是形成這個宇宙結構的關鍵。暗物質是一種只有重力起作用的神秘物質,它約佔這個宇宙質量的80%。從138億年前的宇宙誕生到現在,人們認為這種暗物質受重力聚集,在大量暗物質聚集的地方形成恆星和星系,以及創造了現在宇宙的層次結構。

星系和星系中心的超大質量黑洞等天體是如何誕生在這樣的結構中?日本天文學家目前正試圖通過日本國家天文台的昴宿星團望遠鏡觀測來澄清它的誕生歷史。為了從觀測結果中提取宇宙結構形成的歷史資料,需要將它與基於物理理論創造的模擬宇宙進行比較。要創造一個模擬宇宙,我們必須用電腦來模擬暗物質從宇宙誕生到現在的重力相互作用。由於需要大量的計算資源,以往研究中使用的電腦能力無法達到與觀測進行比較所需的空間大小和精度。

日本國立天文台於2018年開始運行的天文超級電腦Aterui II幫助解決了這個問題。這是由日本千葉大學石山智明副教授和美國等九個國家的研究人員組成的國際研究小組的研究成果。研究團隊利用安裝在超級電腦中的全部40,200個CPU內核,成功模擬了世界上規模最大的宇宙結構形成。這個名為「宇宙」(Uchuu)的大規模模擬,用2.1兆個粒子代表暗物質,計算作用在它們上的重力,以詳細描繪暗物質創造的模擬宇宙的結構。「宇宙」一邊的空間廣度為96億光年,其精度可以跟踪從矮星系到巨大星系團的八位數大質量天體的演化。

「宇宙」模擬的總數據為3PB(1 peta是10的15次方),但研究團隊用高性能計算技術極大地壓縮了這些數據,任何人都可以輕鬆使用,以互聯網這種形式發表。這是100TB左右的基礎數據(1T是10的12次方),專門提供模擬宇宙中暗物質結構形成的資料。這些數據將用於與昴宿星團望遠鏡等的大型天文巡天觀測結果進行比較,將廣泛用於説明宇宙中大型結構演化和星系形成的研究和超大質量黑洞。

【圖、文:節譯自日本國立天文台2021年9月10日新聞公佈】研究全文刊登在2021年6月22日出版的英國《皇家天文學會月報》 標題是:The Uchuu simulations: Data Release 1 and dark matter halo concentrations

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