兩次破紀錄的宇宙模擬追蹤13.4兆個暗物質粒子

宇宙學家面臨一個聽起來幾乎是悖論的問題：望遠鏡越先進，解讀所見景象就越困難。暗物質——被認為構成宇宙大部分質量的不可見物質——本身不發光。它的結構只能間接地通過其彎曲光線和塑造星系形成位置的方式顯現。為了將這些觀測與理論聯繫起來，研究人員構建巨大的虛擬宇宙並讓其演化。

美國能源部阿貢國家實驗室的一個團隊剛剛以前所未有的規模做到了這一點。據《科技日報》報導，科學家們利用世界上首批百億億次級超級電腦之一的Aurora，完成了有史以來規模最大的兩次宇宙學模擬。每次模擬追蹤了在286億光年寬的區域內13.4兆個暗物質粒子的演化。

這個數字難以想像。相比之下，早期的旗艦模擬追蹤的粒子數量為數十億或數兆出頭。單次運行中躍升至超過13兆個粒子，意味著虛擬宇宙能夠解析更精細的結構——那些否則可能模糊成統計霧靄的暗物質小團塊。這些小結構很重要，因為它們在星系如何聚集以及暗物質如何扭曲遙遠天體的光線方面留下了印記。

這些模擬針對一個關鍵目標：宇宙暴脹理論，即極早期宇宙經歷了一次短暫而劇烈的膨脹爆發。這一過程會將微小的量子漲落拉伸為今日大尺度結構的種子。通過將不同暴脹情景下的模擬宇宙與真實觀測進行比較，天文學家可以縮小哪些版本的理論能夠倖存。

這也有實際回報。新一代巡天觀測正在繪製數十億個星系的地圖，並測量其形狀的細微扭曲。這些巡天產生龐大的數據集，而要從中提取宇宙學信息，需要同樣龐大的理論預測。Aurora的運行旨在為該分析提供參考庫，幫助研究人員將真實信號與噪聲和建模偽影區分開來。

百億億次級計算——即每秒能進行超過一百億億次計算的機器——一直是人們長期追求的里程碑。位於芝加哥附近阿貢的Aurora是首批跨過這一門檻的系統之一。宇宙學已成為其展示性工作負載之一，因為暗物質的純引力模擬計算量大但建模相對純淨，使其成為新硬體的理想壓力測試。

對全球讀者而言，這個故事提醒我們，現代天文學日益成為一項計算事業。望遠鏡收集光子，但超級電腦將其轉化為理解。隨著智利、夏威夷以及最終太空中的天文台生成越來越大的星系目錄，瓶頸正從收集數據轉向解讀數據。

阿貢團隊的結果仍是模擬而非發現，其科學價值將取決於它們與現實的吻合程度。但粒子數每翻一番，虛擬宇宙就更接近真實宇宙一步，而宇宙中最大的結構如今正在伊利諾州的一台機器上被逐一粒子地重建。