迄今为止最大规模的宇宙学模拟

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文章来源：哈佛-史密松森天体物理中心

编译：艾宇熙

校对：邱煜欣 涂天宇

排版：邱煜欣

后台：李子琦 董腾晨

原文链接：https://scitechdaily.com/astrophysicists-reveal-largest-ever-suite-of-universe-simulations-how-gravity-shaped-the-distribution-of-dark-matter/

近期，来自美国纽约“熨斗”研究所(Flatiron Institute)计算天体物理中心和哈佛-史密松森天体物理中心天体物理中心的研究者们在《皇家天文学会月报》上发布了一个名为AbacusSummit的宇宙学模拟套件。这是迄今为止最大规模的宇宙学模拟，它基于引力作用模拟宇宙中“粒子”（注：宇宙学模拟中的“粒子”并非平时语境下的原子、分子等粒子，而是包含极大质量的一个模拟单位）的移动，包含超过160项模拟和近60万亿个模拟粒子。这类模拟又被称为N体模拟，可以捕捉暗物质的行为。暗物质不可见，仅通过引力与其他物质作用，却占有27%的宇宙质量。

AbacusSummit模拟的一个瞬间。上图跨越了12亿光年的模拟尺度，展现出我们宇宙的大尺度结构，如宇宙网和巨型星系团。

图源：AbacusSummit研究团队，由Lucy Reading-Ikkanda提供

AbacusSummit 模拟结果已经被应用于数篇已发表论文。“这个模拟套件包含的‘粒子’数之多，可能超过了有史以来人们运行过的所有其他N体模拟中‘粒子’数的总和——不过这一点也不是那么好确定。” Lehman Garrison介绍说。Lehman是这篇新论文和之前几篇相关论文的作者，现在在哈佛大学天体物理中心工作。他与同一中心的博士生Nina Maksimova和天文学教授Daniel Eisenstein共同完成了这一系列工作。用来运行模拟的是美国能源部的超级计算机。

未来，几大巡天项目将为天文学家们提供前所未有之精细的宇宙图景。这些巡天项目耗资不菲，它们的一大目标就是提高对各种宇宙学和天体物理参数的测定。科学家们将可以利用这些更加精确的结果来比较和调试宇宙学模拟中的参数，从而更好地理解宇宙如何运行。

（上半图）顺序处理的编程方法依次计算两两粒子之间的引力作用；（下半图）并行处理的编程方法可同时计算一个粒子和其他所有粒子之间的相互作用。

图源：Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation

宇宙学模拟需要用到N体模拟——计算多个有质量的物体（如行星、恒星）如何在引力作用下运动。自牛顿时代以来，N体模拟就是一个难题。由于需要同时考虑一个物体和其他所有物体之间的相互作用，模拟体系的复杂程度会随着引入物体的增多而迅速增加。N大于3时，N体问题没有通解，科学家们通常用数值模拟来做近似。一个常用的方法是在某一暂停的时刻计算作用在每一个物体上的力，然后在下一个时刻（间隔时间需要很小）对这些物体套用上一时刻的受力情况，进而得出它们的运动状况，之后不断重复这一过程。这也是AbacusSummit所使用的模拟方法。

研究团队充分利用超级计算机的并行运算能力，写出了能够在多个GPU上并行的模拟代码。这依旧会消耗海量的计算资源。因此代码不能只对计算结点进行简单的复制，而是将每次模拟划分成一个网格，对其中的任何一个“粒子”，首先近似计算遥远的“粒子”对它的作用（这比附近“粒子”的作用小得多），然后把这个“粒子”附近的格点分组，分别独立计算它们的作用，最后再将遥远“粒子”的近似结果和邻近“粒子”的精确结果结合在一起。

“Abacus非常契合现代超级计算机的运算，它调用了大量GPU，以一种相似的模式同时计算”，Maksimova介绍说。由于合理的设计，Abacus模拟速度很快，在超级计算机的每个节点上每秒可以更新七千万个“粒子”并分析模拟结果。在这里，每个“粒子”代表30亿倍太阳质量的暗物质团。

论文作者Garrison和Eisenstein都表示，他们的代码可以为基于未来巡天项目产生的数据所要做的模拟提供基础。一流水准的超级计算机和天文学观测的融合正推动着现代宇宙学的发展。

责任编辑：邱煜欣

牧夫新媒体编辑部

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