美國橡樹嶺國家實驗室超級電腦（Frontier）實現迄今最大規模宇宙演化模擬。團隊用 9,000 個運算節點，模擬體積超過 310 億立方百萬秒差距的膨脹宇宙空間。這項名為「ExaSky」的計畫，主要探索宇宙演化過程，並揭示暗物質等宇宙未知現象的特性。
▲ 電腦模擬展現合併中星系團景像。（Source：）
團隊表示，宇宙主要由兩種物質構成：暗物質和常規物質。暗物質僅能透過重力交互作用，常規物質由原子組成。要完整理解宇宙演化，需要同時模擬重力作用及高溫氣體、恆星、黑洞及星系形成等所有物理過程，這類模擬稱為「宇宙流體動力學模擬」。
當觀測數十億光年的遙遠天體，其實是穿越時空回顧宇宙過去。然而，宇宙演化過程十分漫長，無法觀測到完整過程，因此電腦模擬成為探索宇宙演化的關鍵手段。透過電腦模擬，科學家能快速回溯或推展時間，精細分析宇宙的演化過程。然而，模擬廣度與複雜性極高的宇宙演化，需要極強的高速運算能力，而過去的模擬多數為了節省時間，僅能省略部分參數，難以全面再現宇宙化的動態過程。
▲ 左圖展示數十億年前至今，以星系團為視野中心的宇宙演化模擬。紅色區域表示高溫氣體，溫度可高達約1億°K。右圖為左圖放大，顯示代表恆星的粒子運動情況，記錄星系、星系團的誕生與隨時間演化的完整過程。
經過多年改進，終於使計畫成為現實。團隊改良演算法及硬體，結合全球運算速度最快的超級電腦，不僅擴展模擬範圍，還大幅提升模擬的物理真實性，完整呈現重子物質和多重動態的物理過程。團隊運用電腦模擬，大小約311,296立方百萬秒差距的空間，展現星系團誕生的壯觀景象。此區域體積僅佔整體計畫模擬體積0.001%。將來這模擬或揭示更多宇宙結構與演化的驚人細節。
團隊表示，這次模擬不僅規模無與倫比，還加入高度精確物理真實性，包括重子物質及多種動態物理。這項計畫為研究宇宙的演化與結構提供了新的視角，也將為未來天文觀測帶來豐富的科學成果。
（本文由 授權轉載；首圖來源：）
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標題：宇宙演化模擬的新紀元：史上最大規模宇宙演化研究
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