超級計算機模擬宇宙的進化過程

havreyl · 發表於 2012-4-4 16:00:20

近日，美国斯坦福大学的柯维里（Kavli）粒子天体物理学与宇宙学研究所(KIPAC)的一组物理学家通过一台超级计算机模拟宇宙的进化过程。事实上，可以想象如果我们已知各种物理定律并将其载入一台超级计算机中，便可以观察到虚拟宇宙的进化过程，通过超级计算机研究宇宙学是当前的一种研究途径。

“可视化”的宇宙

目前，这项庞大的“虚拟宇宙”计划已经对外演示研究成果，不仅从天体物理学的角度出发，而且也具有艺术特点。隶属于美国能源部的斯坦福直线加速器中心（SLAC）加速器实验室就此对外展出宇宙演化的3D视频，位于纽约市和旧金山的天文馆也展览点之一。在视频中，从暗物质到恒星形成的一切宇宙物质都被计算机所模拟呈现，甚至可以模拟出两个星系间发生剧烈碰撞最后合并成一个星系的景象。

宇宙中如影随形的“暗物质”

柯维里粒子天体物理学与宇宙学研究所科学家团队将宇宙诞生的全过程压缩在数分钟的动画演示视频中，不论是在数毫秒内发生的超新星爆发，还是长达137.5亿年的宇宙年龄，都能在虚拟动画中体现，并形成了高达数万亿比特的庞大数据。

根据斯坦福大学物理系的副教授、柯维里粒子天体物理学与宇宙学研究所计算物理系主任汤姆·阿贝尔（ Tom Abel）介绍：我试图预测宇宙过去发生的事件，探索宇宙是通过何种方式演化至今的。令宇宙学家特别感兴趣的是神秘的暗物质，我们对这些“看不见”的物质探索仅停留在理论上，暗物质不仅弥漫在整个宇宙中，而且还占到了宇宙总质量的很大一部分。因此，视频中所看到的在早期宇宙中形成的巨型暗物质结构并不只是一种“美丽的景象”，它对宇宙学的研究至关重要。

壮观的星系合并景象

设想一下两个螺旋星系由于彼此间的引力效应而发生碰撞的现象，在星系合并之前，两个星系中的无数恒星如同舞蹈般在引力的作用下飘散。然而，有天体物理学家预测并观测过星系间的合并现象，认为虽然对两个星系而言是“破坏性事件”，但该机制却可以引发新的恒星诞生。

据斯坦福大学柯维里粒子天体物理学与宇宙学研究所博士后研究员奥利弗·哈恩（Oliver Hahn）介绍：这些漂亮的虚拟场景并不只是屏幕保护程序，其向我们展示了宇宙是如何进行“工作”的。奥利弗·哈恩通过使用可视化的工具来支持他的工作。

神奇的“矮星系”

“矮星系”顾名思义相对于大星系而言显得个头上较小，光度上较暗一些，比如船底座矮星系、仙女座大星系等。本项研究模拟显示一批最早诞生的“矮星系”。在宇宙大爆炸发生后的数百万年，“矮星系”便开始形成，有些研究人员认为我们现在看到的诸如银河系这样的大型星系，是由“矮星系”合并所形成的。

宇宙中的第一批恒星

早期宇宙中诞生的第一批恒星质量是非常巨大的，可以通过对原始星系中蕴藏的氢使其电离，不断壮大自己。但这些恒星的生命周期很快便结束了，可谓是“英年早逝”，形成了蔚为可观的超新星爆发。斯坦福大学柯维里粒子天体物理学与宇宙学研究所的宇宙进化模拟器使用强大的计算机处理能力将观众们带入各种宇宙“暴力美学”中，如同身临其境。

相关研究人员认为：创建宇宙演化虚拟场景是一件真正的乐事，因为今天的计算机和软件具有非常强大的功能，不久前我们完成了耗时数星期的一个虚拟场景制作，现在利用一个下午的时间还能再完成一个，这就是一个令人沉醉其中的环境。我们可以探索宇宙三维空间的数据，在宇宙学的数据中遨游是一中非常奇妙的感觉。图中显示了婴儿恒星点燃了一团稠密的氢气体云，并开始燃烧。

好莱坞式的虚拟天体物理实验室

天体物理学家的工作便是观测天体，然后尝试着其探索、解释所观测的天体或者现象，并创建出一个模型来总结所发现的规律。这些模型将使用已知的物理定律去推演出所观测到的天体现象。现在，天文学家的实验室中有了媲美好莱坞式的可视化工具，制作出令人兴奋的天体物理现象，通过找出并设定最复杂的机制模拟出宇宙的形状。

例如，斯坦福大学柯维里粒子天体物理学与宇宙学研究所的可视化设备通过在一个虚拟的立方体内模拟出100个星系团的形成过程，帮助斯坦福的研究人员理解星系团的形成与构造，这个虚拟的立方体结构每条边相当于45亿光年的距离。这些虚拟场景可能算得上漂亮的动画，但其制作的过程带着强烈的科学动机。