中国“千衍”发布高精度模拟百亿年尺度宇宙形成与演化过程
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《奇妙加速器》 中国“千衍”发布高精度模拟百亿年尺度宇宙形成与演化过程
中新网北京4月23日电 (记者 孙自法)中国超大规模宇宙学N体模拟项目“千衍”(HyperMillennium)的首批研究成果，4月23日在北京发布，该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，这也是世界上迄今最大规模的宇宙模拟项目。
探索宇宙的高精度数字导引图谱
中国科学院国家天文台当天举行宇宙学模拟项目科学研讨会，“千衍”项目团队表示，首批研究成果由中国科学家领衔的国际团队完成，“千衍”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。
“千衍”项目团队等在研讨会上合影。中新网记者 孙自法 摄
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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、欧洲空间局欧几里得空间望远镜等大型巡天项目提供重要的科学支撑。
首批数据计划后续向全球发布
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之一，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”模拟使用了由中国科学院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，项目团队成功实现在上万张加速卡上进行长时间高效稳定计算的能力，这也表明中国在宇宙学与高性能计算交叉融合方面取得重要突破。
宇宙模拟项目命名“千衍”，体现出东西方文化的融合，“千”取自该项目英文名中的“Millennium”(西方的“千禧年”之意)，“衍”源自中国古典《易经》中“推衍、衍生、变化”的东方智慧。“千衍”模拟依托中国科学院计算机网络信息中心“东方”超级计算机完成，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。
检验研究极端稀有天体的能力
“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》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。
王乔研究员介绍“千衍”项目。中新网记者 孙自法 摄
论文共同第一作者和共同通讯作者、中国科学院国家天文台王乔研究员介绍说，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，并生成类詹姆斯·韦伯望远镜(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，标准宇宙学模型仍能给出与观测相符的描述。
重新定义当今数值宇宙学水平
对于中国“千衍”发布的宇宙模拟成果，国际天文同行给予高度评价。
美国得克萨斯大学奥斯汀分校迈克尔·博伊兰-科尔钦(Mike Boylan-Kolchin)教授表示，“千衍”模拟是一项计算奇迹，将帮助天文学家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，使天文学家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。
在德国马普天体物理研究所所长沃尔克·斯普林格尔(Volker Springel)教授看来，“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，其强大的统计效能，使天文学界能够对宇宙学模型开展新的高精度检验，这对宇宙学研究而言非常重要。(完)
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