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鎭掑ぇ鐞冮槦 : 超級計算機也能幫助科學家研究宇宙?現實與模擬結合的必由之路

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online_member 發表于 2020-3-2 20:38:08 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
宇宙之大卻井然有序

超級計算機也能幫助科學家研究宇宙?現實與模擬結合的必由之路29 / 作者:慧眼識英雄1 / 帖子ID:56709,224061

僅僅說宇宙好大好大,或者說無邊無際,似乎有點太委屈宇宙了。宇宙非常非常復雜,它似乎擁有自己的意識,星球到恒星系統,星系到星系團,宇宙網到整個宇宙,每一個部分都互有聯系,彼此依存。除了這些看得見的重子物質,暗物質與暗能量可能是整個宇宙最大的奧秘。暗物質與暗能量左右了宇宙的演化以及所有結構的共通性,我們聊起來暗物質暗能量好像就是兩個詞語,但是對于宇宙學家來說這是一個令人頭痛的問題。

人類雖然渺小,但是也想了解宇宙,夢想和遠方支持著我們頭腦宇宙的運作。那么遇到如此復雜,不可琢磨,看不見摸不著的宇宙神秘物質,我們該如何探尋奧秘呢?比如現在我們想要了解銀河系或者其他星系團與暗能量暗物質的關系,怎么辦呢?宇宙學家想到一個辦法,那就是使用不同視角的太空望遠鏡,觀察其他星系,借此來研究我們的星系,這其實是一種類比的方法。
超級計算機也能幫助科學家研究宇宙?現實與模擬結合的必由之路42 / 作者:慧眼識英雄1 / 帖子ID:56709,224061

宇宙學家們通過星系的一系列結構性行為,比如激烈的碰撞融合,星系之間互相牽制的引力現象,還有一些極其特殊的結構可以判斷——宇宙中充滿了暗物質與暗能量,而我們卻只能通過這些看得見的重子物質推測暗物質暗能量的性質。現在,宇宙學家們得出來一個結論,暗能量和暗物質其實是空間的一種根本性質。

它就是空間的法則,就好像我們人類的根本性質是意識,水或者構成人體的原子一樣?;灰桓隹蘋玫慕嵌?,如果我們可以了解并且利用這種性質,就可以做出很多想象都想象不到的事情……想象到的,比如給暗物質粒子施加某種效應制造蟲洞穿梭時空,或者利用時空暗能量作為填充燃料,在多個宇宙間穿梭等等。
超級計算機也能幫助科學家研究宇宙?現實與模擬結合的必由之路99 / 作者:慧眼識英雄1 / 帖子ID:56709,224061

超級計算機的出現,也可以幫助研究宇宙

現代科學技術不斷進步,計算機技術也在不斷發展,我們通過硬件的堆疊創造了超級計算機,超級計算機主要就是“超級”二字。現代宇宙學家可以利用超級計算機的浮點運算在一秒內進行數百萬億次的計算,現在最先進的超級計算機甚至可以每秒運算百億億億次。宇宙學家們經常利用超級計算機進行一些量子力學,地球氣候模擬,分子原子建模,人工智能智慧模擬等工作。在宇宙學家這里,超級計算機還另有妙用。

自20世紀中葉以來,宇宙學家對宇宙的產生有了更進一步的認識。宇宙膨脹和宇宙微波背景CMB的發現為大爆炸理論提供了可信層理論,宇宙膨脹速度的加快催生了有關暗能量的理論。盡管如此,早期宇宙仍然有很多宇宙學家不能解決的問題,僅僅依靠重子物質側面觀察研究暗物質遠遠不夠,所以宇宙學家們想到了超級計算機。
超級計算機也能幫助科學家研究宇宙?現實與模擬結合的必由之路90 / 作者:慧眼識英雄1 / 帖子ID:56709,224061

我們研究宇宙超巨大結構,研究宇宙演化與宇宙本身的結構不可能使用類比法對比其他宇宙研究。所以宇宙學家可以利用超級計算機的運算力和計算的嚴謹性來模擬宇宙天體或者是宇宙星系,現在的宇宙學家甚至會用超級計算機模擬宇宙中的超巨大結構。這實在難以想象,換句話說這是依靠我們人類發現的一點點宇宙規律而創造的宇宙。
模擬宇宙,這是一種特殊角色

模擬宇宙并非不可能,模擬的成功取決于其改進算法的應用,其計算包括很多天體類型,例如超大質量黑洞的形成及其對環境的影響,星系與暗物質暗能量的作用比等等。宇宙學家運行了24000個CPU,經過了三個月的運算模擬,創造了一個“數據宇宙”。如果我們用辦公桌上的普通PC,需要至少16000年才能模擬同級別的宇宙。宇宙學家以前的模擬要么只關注宇宙結構的一小部分,要么分辨率太低。但是,最新的這項研究以前所未有的分辨率創建了一個具有3.5億光年的多維數據集,并跨越了130億年的模擬時間。
超級計算機也能幫助科學家研究宇宙?現實與模擬結合的必由之路56 / 作者:慧眼識英雄1 / 帖子ID:56709,224061


大質量星系團的中心溫度極高(紅色),而明亮的結構則為我們展示了宇宙網邊界處被加熱的呈擴散趨勢的星塵

在模型中,宇宙學家清楚的看到了宇宙大爆炸之后不久的情況,原始物質的集群性冷卻形成了第一批恒星和年輕星系。暗物質也包括在計算中,它在未來逐漸獲得全宇宙的領導地位,暗物質和暗能量在未來逐漸獲得宇宙最大結構宇宙網的主導地位。130億年的時間,在我們眼前匆匆飛逝。

我們在最遙遠的宇宙深處看到了很多星系的誕生——以驚人的熟悉的形狀和大小形成。該模型僅使用了數十年或者幾個世紀天文觀測所構建的理論方程,未來模型還可以隨時間發展,就好像一個嬰兒時期的模擬宇宙。
超級計算機也能幫助科學家研究宇宙?現實與模擬結合的必由之路35 / 作者:慧眼識英雄1 / 帖子ID:56709,224061


這是IllustrisTNG模擬宇宙,IllustrisTNG模型的存在是為了解決宇宙演化等相關問題

這個模型被稱為IllustrisTNG,它創造了一個120億像素的三維空間,所有的計算規則都是現代科學已經確定的正常物質和暗物質的基本方程。宇宙學家可以在模型中放大感興趣的區域,關注不同的宇宙結構。關于模擬宇宙,最特別的事情是它與現在天文臺很多觀測結果都極為相似。當他們開始模擬大爆炸1.2億年后,大約41000個星系從看似混亂的物質中凝聚成無數的星系團,而現實中宇宙學家的推測是1.3億年之后。

這就好像一臺時間機器。我們可以隨意滑動無論是前進和后退。我們還可以暫停模擬,放大到單個星系或星系團,看看到底發生了什么??墑踴D庥鈧娼峁共喚鍪且恢制戀慕峁?,而且具有相當的科學重要性。
超級計算機也能幫助科學家研究宇宙?現實與模擬結合的必由之路9 / 作者:慧眼識英雄1 / 帖子ID:56709,224061

超級計算機也能幫助科學家研究宇宙?現實與模擬結合的必由之路97 / 作者:慧眼識英雄1 / 帖子ID:56709,224061


宇宙學家們模擬的兩個星系相撞的過程
模擬宇宙之中的研究

在模擬宇宙中,宇宙學家們設想了兩個螺旋星系碰撞對星系內部兩顆星球的引力效應。在星系合二為一之前,這對行星可能會經歷某種軌道的不穩定。但是模擬的結果出乎意料,星系碰撞對于星系內部的單個天體幾乎不會有影響。所以根據宇宙學家觀測其他正在碰撞的星系也好,還是模擬的結果也好,星系碰撞并不是破壞性事件,而是新融合星系中大批量恒星形成的開始,所以我們就不用擔心未來銀河系與仙女座星系的碰撞了。

模擬宇宙中最關鍵的是了解宇宙運行的機制,所以天文學家特別模擬了一些早期星系,觀察了它們的形成與演化過程。大爆炸后矮星系開始出現,這些星系最終聚集在一起,形成我們今天看到的更大的星系,比如銀河系,也就是說宇宙早期的星系都沒有現在的規模這么大。
超級計算機也能幫助科學家研究宇宙?現實與模擬結合的必由之路51 / 作者:慧眼識英雄1 / 帖子ID:56709,224061


GOODS深空場包含18個星系,它們正在迅速形成恒星,以至于其中的恒星數量在短短的一千萬年中將翻一番

宇宙大爆炸之后溫度極高,亞原子粒子出現在大爆炸后不到一秒鐘的時間內,之后它經歷了指數級的突增,慢慢地,密集的暗物質區域在它們自身的重力作用下聚結成巨大的團塊和細絲結構,這也被稱為宇宙網。眾多星系被暗物質的引力吸引,沉淀進入到宇宙網的重力點中,凝結成超巨大星系團。在接下來的130億年中,它們在宇宙中漂移,并通過相互融合而逐漸增長。

另外在模擬中發現,第一批形成的恒星質量非常大,它們以原星系的氫供應為食,并將其離子化。這些恒星壽命很短,很快就會爆炸形成超新星。超新星結構和這些被拋出冷卻了的恒星結構就好像恒星孢子,它們在更遠的地方形成了更多的恒星,逐漸形成了更大的星系。也就是說宇宙的第一批恒星要比現在的恒星大很多,它們甚至可以左右整個星系的演化過程。
超級計算機也能幫助科學家研究宇宙?現實與模擬結合的必由之路86 / 作者:慧眼識英雄1 / 帖子ID:56709,224061


早期宇宙中質量大的恒星爆炸時會噴出非常多的鐵物質。天文學家可以由此推斷下一代恒星的組成,也可以確定宇宙中第一批恒星的組成
模擬+現實,這是未來研究宇宙學的趨勢

在現實觀測當中,宇宙學家會先觀察,然后他們會用超級計算機創建一個模型來理解他們所看到的,這個模擬將使用已知的物理原理來對比覆蓋觀測結果。現在,研究人員已經在實驗室中擁有了好萊塢級別的可視化工具,模擬出令人震驚的天體物理現象,他們能夠追蹤到塑造宇宙的一些最復雜的機制。比如現在一種叫KIPAC可視化技術幫助斯坦福大學的科學家們了解了星系群的形成和結構,方法是在一個邊寬45億光年的虛擬立方體中模擬100個星系群。這些可能是很漂亮的動畫,但它們創作的背后有很強的科學性。
超級計算機也能幫助科學家研究宇宙?現實與模擬結合的必由之路20 / 作者:慧眼識英雄1 / 帖子ID:56709,224061

超級計算機也能幫助科學家研究宇宙?現實與模擬結合的必由之路17 / 作者:慧眼識英雄1 / 帖子ID:56709,224061


宇宙學家們創建的模擬宇宙,內含科學嚴謹性,換句話說,這就是我們人類現在理解的宇宙

在未來,模擬宇宙結構,無論是模擬的暗物質還是暗能量數字粒子,都會與現實觀測的數據結合。這些團塊是數十億年前銀河系最終形成的地方,這些年來宇宙膨脹,銀河系已離開了它本來的“故鄉”。

歐洲航天局的歐幾里德太空望遠鏡在未來也將使用此IllustrisTNG模擬,歐幾里得在今年年中發射時,它將為數十億個星系成像,并測量暗物質引力引起的光線的細微扭曲現象,也就是引力透鏡現象,這就像通過觀察光線的差異來試圖發現窗戶一樣。

蘇黎世研究人員進行的暗物質模擬是使科學家了解預期結果的一種重要工具,這也可幫助歐幾里德太空望遠鏡執行任務??蒲Ъ銥梢允褂夢佬塹氖萁鈧嫻哪D庾晃叨染返撓鈧嬙?。一旦有了該圖,我們也許可以最終弄清楚什么是暗物質和暗能量。
超級計算機也能幫助科學家研究宇宙?現實與模擬結合的必由之路59 / 作者:慧眼識英雄1 / 帖子ID:56709,224061


暗能量巡天計劃調查了2600萬個星系的暗物質地圖,全部用的是引力透鏡的方法。該地圖約占整個天空的1/30,范圍跨越數十億光年。紅色區域的暗物質多于平均水平,藍色區域的暗物質少。
模擬宇宙,未來可期

未來的模擬宇宙不僅會與現實天文望遠鏡的觀測數據結合,還會向兩邊擴展,一邊是模擬宇宙中的微觀結構,比如說超級地球,或者說是超巨大恒星,模擬并且了解它們的機制,這對于我們了解宜居地球中生命起源的形式有極其重要的作用。另一邊是更大的宇宙結構,現在的模擬宇宙由于超級計算機的限制,我們也許無法模擬整個920億光年(直徑)的可觀測宇宙,在未來我們需要模擬更大結構,甚至模擬整個宇宙的運行,也許在其中,我們還可以模擬一個超級文明等等。
超級計算機也能幫助科學家研究宇宙?現實與模擬結合的必由之路16 / 作者:慧眼識英雄1 / 帖子ID:56709,224061

模擬宇宙是科學的,也是未來天體物理學和宇宙學家的研究方式之一,未來的宇宙學家觀測,或者說了解宇宙的方式將會更多,宇宙的面貌也會被逐漸揭開。

原文地址:今日頭條
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