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科学|千年宇宙，冷暗物质之谜：超级计算机演绎？


科学家通过超级计算机模拟了迄今为止最准确和详细的宇宙演化过程 ， 为天文学家以及宇宙物理学家提供了一种新工具 ， 以了解星系的形成过程 ， 暗物质和暗能量的作用方式 。
这个模拟过程主要是基于宇宙的大尺度结构 ， 包括星系在合并和增长的进程中 ， 周围暗物质环在其中扮演着何种作用 ， 例如演化机制和散步规律等 ， 初步的研究显示了与天文学家实际观测过程中的情况较为符合 。

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银河系存在如大小麦哲伦星云的卫星星系
加州大学圣克鲁斯分校的物理学教授乔尔普里马克（Joel Primack）认为：从某种意义上说 ， 你可能认为这些初步结果所反映出的过程有点儿过时 ， 但这很清楚地表明 ， 我们所认为的标准宇宙模型体现的就是这种机制 。 这项研究之所以让我们感到兴奋 ， 是因为我们有了这种高度精确的模拟 ， 可以反映出宇宙在一定尺度上的演化方向 ， 其同时也将为我们在未来几个月甚至数年之内的研究提供基础性的作用 。
物理教授普里马克（Primack）和新墨西哥州立大学的天文学教授阿纳托利克雷平（Anatoly Klypin）共同领导了这次宇宙演化大模拟实验 。 阿纳托利克雷平主要负责在超级计算机上录入模拟代码 ， 这台计算机有着不同凡响的名声 ， 它就是隶属于美国国家航空航天局艾姆斯研究中心的“昂星团”超级计算机 ， 该超级计算机主要帮助美国宇航局的科学家对各种航天任务以及宇宙探索进行模拟和仿真研究 。
对宇宙的演化过程模拟式非常必要的 ， 我们现在拥有各种天文观测的数据 ， 如何将这些数据进行整合以及发挥他们在预测上的优势 ， 这是科学家要解决的问题 ， 这同时也有助于我们确定宇宙中神秘的暗能量是何种性质 。

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根据目前领导着加州大学高性能天体计算机研究中心的物理学教授乔尔普里马克介绍：宇宙新“千年模拟”计划的初步数据版本在九月份上旬开始 ， 现在我们以及发布了大量的数据 ， 可以供其他研究机构的天体物理学家使用 。 到目前为止 ， 这些数据还不到总量的百分之一 ， 这是因为总的模拟基数非常地庞大 ， 在将来还会有新的数据进行公布 。
早在2005年之时 ， 由马克斯普朗克研究所进行了一项被称为“千年模拟”的宇宙演化研究 ， 同样是研究大尺度范围内的宇宙进程 ， 包含了20亿光年距离上的宇宙信息 ， 大概存在着数千万个星系的规模 ， 由于其设定的粒子数创纪录地达到了百亿个数量级 ， 因而其为当时的天体形成以及演化的研究提供了相当程度的数据 ， 也发表了400余篇的学术论文 。 但是 ， 现在天文学家认为 ， 当时被当做基本参数的部分数据存在不准确性 ， 所以该模拟的结果并不是准确的 。 这些数据来自美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP） 。
该各向异性探测器主要提供了自宇宙大爆炸之后残留下来的宇宙微波背景辐射在空间上各向异性的微小变化 ， 并绘制了详细的分布概况图 。 最早的WMAP1版本的分布概况图以及被后续的版本最取代 ， 而在2010年美国宇航局发布了WMAP7版本的分布概况图 。 而本次模拟使用的参数是基于2008年公布的WMAP5版本 ， 这个版本的数据与最新的WMAP7是基本一致的 ， 而最早的WMAP1版本被认为存在着一些错误 ， “千年模拟”所采用的数据恰恰就是WMAP1版本 。 此外 ， 超级计算机技术的进步 ， 使我们在整个过程中可以以较高的分辨率进行模拟 。 因而 ， 物理学教授乔尔普里马克认为本次研究结果将会对现有的天文学研究产生较大的影响 。

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宇宙大爆炸之后 ， 宇宙如何进行演化的标准解释是被称为Lambda冷暗物质模型的理论 ， Lambda是指代当前宇宙存在的加速膨胀机制中的暗能量（希腊字母 ， 宇宙学常数） ， 这个模型符合现阶段对宇宙大尺度结构的研究以及对宇宙微波背景辐射观测 ， 是一个能自洽的简单假设的宇宙模型 。 这就是本次宇宙演化模拟的理论基础 。 根据这个模型 ， 引力在大爆炸发生后不久 ， 存在着轻微的密度扰动 ， 并导致宇宙中第一个暗物质块的出现 。
接着 ， 这些暗物质块经过漫长的演化过程 ， 并逐渐合并成更多的团块 ， 就是我们现在宇宙中存在的暗物质 。 而暗物质的性质仍然是一个迷 ， 其占据了宇宙中82%的物质 。 因此 ， 对宇宙的研究不可避免地要涉及到暗物质 ， 其产生的引力作用是推动宇宙演化的关键因素 。
普通物质在形成恒星以及行星之后 ， 并进入有暗物质构成的团块之中 ， 从而使得在星系周围存在着由大量暗物质构成的神秘暗物质环 。 超级计算机在一个主要目的就是模拟和计算暗物质环是如何进行演化的 。 这些研究结果已经发表在《天体物理学》期刊上 ， 作者是新墨西哥州立大学的研究生塞巴斯蒂安特鲁希戈麦斯（Sebastian Trujillo-Gomez）和普里马克（Primack） 。
另一篇基于该研究的论文同样也发表在《天体物理学》期刊上 ， 提出了星系大量暗物质的模拟预测以及属性的问题 。 作者是克雷平（Klypin）、塞巴斯蒂安特鲁希戈麦斯（Sebastian Trujillo-Gomez）和普里马克（Primack） ， 以及加州大学圣克鲁兹分校的博士后研究员亚伦罗曼诺夫斯基（Aaron Romanowsky） 。 普里马克认为：模拟预测的结果与目前进行的斯隆数字巡天计划的观测对比显示出非常好的融洽性 。
超级计算机模拟的是具有代表性的宇宙区域 ， 大约是位于10亿光年之内的宇宙空间 ， 设定了86亿个暗物质粒子参与相互作用的演化 ， 整个过程花了600万个CPU小时进行运算 ， 而昴宿星团超级计算机被列为世界上第七快的超级计算机 。 可对宇宙中星系团以及其他大尺度结构进行预测 ， 其中的重点在暗能量参与的进程 ， 被称为重子振动光谱调查 。

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【科学|千年宇宙，冷暗物质之谜：超级计算机演绎？】此外 ， 科学家模拟了较小尺度的宇宙演化 ， 同样也是在昴星团超级计算机运行 。 其重要侧重于宇宙较小部分的模拟 ， 并提供更高的分分辨率 。 所有的模拟结果都会公布在MultiDark数据库中 ， 该数据库是由德国波茨坦天体物理研究所主管 。 以提交的分析结果显示了预测银河系中主要卫星星系的数量 ， 这些卫星星系与大小麦哲伦星云亮度相当 。


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