中国科学家领衔国际团队构建出数字虚拟宇宙

近日，由中国科学家领衔的国际团队发布超大规模宇宙学 N 体模拟项目“千衍”（HyperMillennium）的首批研究成果，该模拟在边长约120亿光年的宇宙空间尺度上，使用约4.2万亿个暗物质粒子，通过 N 体模拟技术，高精度追踪暗物质在宇宙演化过程中的聚集和结构形成，并输出100个演化阶段的模拟快照，为人类探索宇宙奥秘提供了一份高精度数字导引图谱。

此次发布的“千衍”模拟从大爆炸之后的宇宙早期开始，通过计算宇宙中物质的引力作用，高精度模拟再现了百亿年尺度上宇宙大尺度结构的形成与演化过程。借助星系形成半解析模型，“千衍”模拟还可生成星系星族、光度、颜色、光谱能量分布以及虚拟观测图像等信息。通过将高精度虚拟宇宙与实际观测进行比较，将为研究暗物质、暗能量等基础宇宙学问题提供重要支撑，深化对星系演化规律的认知。同时，模拟数据也将为中国空间站巡天望远镜（CSST）、欧洲空间局欧几里得空间望远镜（Euclid）等大型巡天项目提供重要的科学支撑。

宇宙学数值模拟是国际超级计算机平台上的核心科学应用，这类模拟往往需要长期占用大规模超算资源，其超大规模、超长运行时间所带来的技术挑战也是宇宙学与高性能计算交叉领域的重要研究方向。“千衍”模拟使用了由国家天文台团队自主开发的软件PhotoNs，该软件面向国产自主超算平台进行了深度优化。经过数年攻关，团队成功实现了在上万张加速卡上进行长时间高效稳定计算的能力。这也表明我国在宇宙学与高性能计算交叉融合方面取得重要突破。

美国德克萨斯大学奥斯汀分校Mike Boylan-Kolchin教授评价：“我们正进入一个新时代：对巨大宇宙学体积的巡天观测，有潜力彻底改变我们对暗能量、宇宙暴胀以及中微子性质的理解。要实现这一目标，我们需要与之匹配的先进理论工具。‘千衍’模拟是一项计算奇迹，将帮助我们从宇宙观测中揭示基础物理规律。它在模拟体积和质量分辨率的覆盖范围上前所未有，使我们能够详细预测大量相对常见星系在宇宙网中的分布方式，也能研究那些本身罕见且富有研究价值、但在较小体积模拟中难以触及的天体的性质。未来多年里，‘千衍’模拟都将成为星系形成和宇宙学研究领域的重要标志性成果。”

德国马普天体物理研究所所长Volker Springel教授表示：“‘千衍’模拟重新定义了当今数值宇宙学所能达到的水平。该团队成功实现这一超大规模、高精度的模拟，令我印象极为深刻。其强大的统计效能使我们能够对 ΛCDM 宇宙学模型开展新的高精度检验，这对该领域而言非常重要。”

“千衍”模拟项目首篇学术论文近日已在国际学术期刊《皇家天文学会月刊》（MNRAS）正式发表。论文以著名大质量并合星系团阿贝尔2744为研究对象，检验了“千衍”模拟研究极端稀有天体的能力。距离地球约 40 亿光年的阿贝尔 2744 由多个星系团碰撞并合而成，结构极端复杂，是检验宇宙学模型的重要样本。研究团队从模拟中筛选出与阿贝尔 2744 相似的类比体，并生成类 JWST 观测图像和引力透镜质量分布图。基于像素统计的比较显示，在考虑观测选区偏差后，模拟类比体与 JWST 观测结果在星系数密度、光度密度和投影质量密度分布上高度一致。结果表明，即便在高度非线性、结构极端复杂的星系团环境中，ΛCDM 标准宇宙学模型仍能给出与观测相符的描述。

中国科学院国家天文台王乔研究员、李明副研究员为论文共同第一作者并共同通讯作者，郭琦教授为共同第一作者；高亮教授为通讯作者，负责项目整体设计与研究推进。研究团队成员中包括多位邵逸夫奖和格鲁伯宇宙学奖获得者。

“千衍”模拟依托中国科学院计算机网络信息中心“东方”（ORISE）超级计算机完成，得到中国科学院战略性先导科技专项（B类）、科技部重点研发计划及国家自然科学基金等项目资助。项目软件开发与测试得到国家超级计算郑州中心支持，首批数据计划后续通过国家天文科学数据中心向全球发布。

论文 DOI：10.1093/mnras/stag540

来源：中国科学院国家天文台

（本文编辑：刘四旦）

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