超震撼！有史以來分辨率最高的宇宙模擬，還有什么比這更美？

2020-04-22 09:09 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

受到《星際迷航》中羅慕蘭太空飛行科幻小說的啟發(fā)，天體物理學(xué)家使用XSEDE分配的超級計算機(jī)，開發(fā)了名為RomulusC的宇宙學(xué)計算機(jī)模擬，其中“C”代表星系團(tuán)。

由于專注于黑洞物理，RomulusC制作了一些有史以來分辨率最高的星系團(tuán)模擬，這些星系團(tuán)可以包含數(shù)百個甚至數(shù)千個星系。在《星際迷航》中，羅慕蘭人用人造黑洞為宇宙飛船提供動力。

而在現(xiàn)實中，事實證明黑洞可以驅(qū)動恒星的形成和整個星系的演化，這項星系團(tuán)模擬工作，正在幫助科學(xué)家繪制未知宇宙的地圖。此前一項研究得出了RomulusC模擬的結(jié)果，該結(jié)果發(fā)表在英國《皇家天文學(xué)會月刊》上。探測了星系團(tuán)內(nèi)和星系團(tuán)內(nèi)介質(zhì)周圍主要由氫和氦組成的電離氣體，這些氣體填充了星系團(tuán)中星系之間的空間。超過一百萬開爾文的熱而稠密氣體填充了內(nèi)部星系團(tuán)，金屬豐度大致均勻。

在100.01億開爾文之間的冷熱氣體潛伏在邊緣的零星分布中，金屬種類更多。冷熱氣體看起來像水母的尾巴，跟蹤了星系落入星系團(tuán)并失去氣體的過程。氣體從墜落的星系中剝離出來，最終與星系團(tuán)的內(nèi)部區(qū)域混合。該研究的合著者、華盛頓大學(xué)天文學(xué)系博士生伊琳娜·布茨基(Iryna Butsky)說：研究發(fā)現(xiàn)星系團(tuán)中存在大量這種冷熱氣體，與熱氣相比，這種冷溫氣體的痕跡結(jié)構(gòu)截然不同，互為補(bǔ)充。

同時還預(yù)測，現(xiàn)在可以用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡宇宙起源光譜儀等現(xiàn)有儀器觀察到這種冷溫成分?？茖W(xué)家們剛剛開始探測星系團(tuán)內(nèi)的介質(zhì)，這種介質(zhì)擴(kuò)散得如此之快，以至于它的排放，在任何現(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡中都看不見。科學(xué)家們正在使用RomulusC來幫助間接觀察星團(tuán)，利用類星體的紫外線(UV)光，類星體作用就像燈塔一樣照耀著氣體。這種氣體吸收紫外光，當(dāng)用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡上的宇宙起源光譜儀等儀器進(jìn)行分析時，產(chǎn)生的光譜產(chǎn)生了密度、溫度和金屬豐度分布。

關(guān)于模擬，有一件很酷的事，那就是研究人員知道模擬盒子里到處都在發(fā)生什么，可以進(jìn)行一些合成觀測，并將它們與在吸收光譜中實際看到的進(jìn)行比較，然后將這些點連接起來，將觀察到的光譜進(jìn)行匹配，并試圖了解這個模擬盒子里到底發(fā)生了什么。同時還應(yīng)用了加州理工大學(xué)卡梅隆·胡梅爾斯和同事開發(fā)名為“三叉戟”的軟件工具，該工具獲取合成吸收線譜，并添加了一些關(guān)于HST的噪聲和儀器怪癖。

最終結(jié)果是一個看起來非常真實的光譜，可以直接與現(xiàn)有的觀測結(jié)果進(jìn)行比較。但是，對于觀測，不能做的是從一維光譜重建三維信息，這就是彌合觀測和模擬之間差距的原因。最新科學(xué)支持RomulusC模擬背后的一個關(guān)鍵假設(shè)是：構(gòu)成星系團(tuán)內(nèi)介質(zhì)的氣體至少部分來自星系本身。研究的合著者、華盛頓大學(xué)天文學(xué)教授湯姆·奎因說：我們必須建立模型，說明氣體是如何從星系中流出的，這是通過超新星爆炸和來自年輕恒星的超新星來實現(xiàn)的，這意味著要應(yīng)對的動態(tài)范圍超過10億。

更重要的是，星團(tuán)不是孤立形成的，所以必須考慮它們的環(huán)境。還有一個計算挑戰(zhàn)，這是超級計算機(jī)集群所特有的，大多數(shù)計算活動都發(fā)生在集群的最中心。盡管模擬的體積要大得多，但大部分計算都是在一個特定區(qū)域進(jìn)行。當(dāng)你試圖在一臺擁有數(shù)萬個內(nèi)核的大型超級計算機(jī)上模擬這一點時，如何將計算分布在這些核心之間，這是一個挑戰(zhàn)。然而湯姆·奎因?qū)τ嬎闾魬?zhàn)并不陌生，自1995年以來，他一直在使用由國家科學(xué)基金會(NSF)資助的XSEDE的資源。

RomulusC在德克薩斯高級計算中心(TACC)的Stamecid2系統(tǒng)上作為一個概念驗證和友好的用戶時間開始。研究還得到了TACC工作人員的幫助，幫助在多核、每個芯片68個核的機(jī)器上啟動和運行代碼。最終將RomulusC擴(kuò)展到32000個處理器，并在國家超級計算應(yīng)用中心的Blue Waters系統(tǒng)上完成了模擬。一路上，它還在圣地亞哥大學(xué)一個有組織的研究單位圣地亞哥超級計算機(jī)中心使用了NASA昂宿星超級計算機(jī)和XSEDE分配的彗星系統(tǒng)。

彗星系統(tǒng)填補(bǔ)了一個特殊的領(lǐng)域，它有大量可用的存儲節(jié)點。分析的特定方面，例如識別星系，在分布式存儲機(jī)器上不容易完成。擁有大型共享內(nèi)存機(jī)是非常有益的。從某種意義上說，我們不必完全并行化分析的那個特定方面，擁有大數(shù)據(jù)機(jī)器才是最重要的。如果沒有XSEDE，不可能做這個模擬，這本質(zhì)上是一種能力模擬，研究不僅需要實際進(jìn)行模擬的能力，也需要分析機(jī)的能力。下一代模擬將使用美國國家科學(xué)基金會資助的Frontera系統(tǒng)進(jìn)行。

該系統(tǒng)是最快的學(xué)術(shù)超級計算機(jī)，目前在世界上最快的超級計算機(jī)中排名第五?，F(xiàn)在在Frontera上，研究人員正在對單個星系進(jìn)行更高分辨率的運行。自從開始這些模擬以來，研究人員一直致力于證明是如何模擬恒星形成的。當(dāng)然有更強(qiáng)的計算能力，所以再一次提高質(zhì)量分辨率，對單個星系的模擬更逼真，更多更大的星系團(tuán)也會很好。研究人員表示，使用超級計算機(jī)對宇宙建模的真正酷之處在于，它能在進(jìn)行實驗方面發(fā)揮獨特的作用。

在許多其他科學(xué)中，你可以有一個實驗室，可以在那里檢驗?zāi)愕睦碚摗５谔煳膶W(xué)中，你可以提出紙筆理論，觀察宇宙的本來面目。但如果沒有模擬，很難進(jìn)行這些測試，因為很難再現(xiàn)空間中的一些極端現(xiàn)象，比如時間尺度和獲得一些極端天體的溫度和密度，要想在理論工作上取得進(jìn)展，模擬是極其重要的。RomulusC的宇宙學(xué)星系團(tuán)等模擬的研究成功，現(xiàn)已發(fā)表在《皇家天文學(xué)會月刊》上。