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老式的光学投影天象仪可以展示星空的变化，帮助天文馆的游客认识星座和行星的运动。现代的数字投影天象仪则能进一步标示出遥远星系的位置，甚至带领观众在广袤的星系际空间中翱翔，将星系的三维分布呈现于他们眼前。

但是对研究整个宇宙的组成结构和演化过程的宇宙学家们而言，这还远远不够。依靠世界上运行速度最快的超级计算机的强悍威力，我们已经可以在大爆炸之后那一瞬到如今的时间尺度上，对宇宙的三维演化过程进行模拟。

超级计算机的计算能力的确正在将宇宙学转变为一门实验科学。如今在超级计算机模拟中，天文学家可以调整初始的假设条件，观察恒星爆炸、星系碰撞等现象将发生什么变化。计算机模拟，还有以令人震撼的形象化方式展现的模拟结果，可以帮助天文学家以空前精细的程度研究宇宙，获得从前难以企及的深刻理解。更有甚者，可以在模拟中使某种天体物理学过程加速，从而做出可在以后通过实际天文观测检验的科学预言。总之，继理论研究、观测和实验之后，高性能计算机模拟已经成为现代科学研究方法中的一根新支柱。

对宇宙演化的最新、最先进的超级计算机模拟项目名为“巨型模拟”（Bolshoi simulation），“Bolshoi”来自俄语，意为“巨大”，还有“伟大”和“宏伟”的含义。“巨型模拟”可以检验现代宇宙学理论和实际观测到的宇宙结构之间是否一致，它既适用于邻近的宇宙，也适用于更遥远的距离。当我们用最强大的望远镜窥向更深远的宇宙空间时，同时也在回溯更久远的时间。就目前看来，“巨型模拟”的预言与最精确的观测结果之间若合符契。

著名物理学家、本文作者中的Joel Primack（加州大学圣克鲁兹分校），以及Anatoly Klypin（新墨西哥州立大学）是“巨型模拟”的联合领导者。还有许多宇宙学家参与了该项目。基于“巨型模拟”的论文正在《天体物理学报》等公认的顶级学术期刊上陆续发表。

“巨型模拟”虽然不是对宇宙演化的第一个模拟，但是它超越了此前所有的类似项目，包括开创性的“2005千年模拟”（2005 Millenniumsimulation）。这得益于以下三方面因素：来自观测的精确度更高的输入数据，NASA的“昴星团”超级计算机及其所用软件的高性能和高速度，对于向全球天文学界公开的“巨型模拟”输出结果所做的精细分析。

严格检验的理论

除了计算机程序复杂程度的因素，宇宙学模拟输出结果的质量如何，既取决于输入的观测数据的精确度，也取决于划定计算过程的物理定律的精确度。只要你指定了，这些物理定律就是模拟中遵循的定则。

在“巨型模拟”中，爱因斯坦广义相对论的诸方程就是超级计算机使宇宙模型随时间变量演化的定则。这个经受过严格检验的理论描述了空间、时间和引力的性质。“巨型模拟”的另一块基石是A冷暗物质宇宙学（A CDM），在宇宙大尺度结构的形成方面，它是已获广泛认可、完善可靠的现代理论框架。冷暗物质理论是其理论基础，由本文作者之一的Primack及其同事建立于1983年至1984年。

用最简单的术语来说，A CDM假设，紧随大爆炸之后，宇宙的大小立即经历了迅猛的膨胀。空间中每一个点都普遍存在着能量，宇宙的暴胀使得空间能量的微小、随机的起伏被极度地放大了。这些量子涨落使得整个宇宙中的物质分布和能量分布都不再均匀。假设暗物质是冷的——也就是说，早期宇宙是由大量的运动速度远小于光速的粒子构成的——那么引力就会导致高密度区域聚集成包含暗物质和普通原子物质（物理学家称普通原子物质为“重子物质”，因为其绝大部分质量都来自于重子，即原子核中的质子和中子）的晕（或说“云”）。而这些晕最终成长为星系和星系团。

希腊字母人（Lambda）是爱因斯坦用来表示宇宙学常数的符号，爱因斯坦认为，宇宙学常数是空间本身的一种可能性质，它代表了一种可以抵消万有引力、允许静态宇宙存在的恼人的力。在埃德温·哈勃发现宇宙实际上正在膨胀之后，爱因斯坦称宇宙学常数是其最大的错误。但是，现在有极强的观测证据显示，确实存在着一个宇宙学常数——或者某种与其类似、被称为“暗能量”的东西。“巨型模拟”假设，暗能量就是爱因斯坦的宇宙学常数。

冷暗物质宇宙学也预言，因为引力的作用，宇宙的大尺度结构是等级式成长的：较小的暗物质晕一次次地融合，形成越来越大的晕。“巨型模拟”的主要目标就是计算和模拟暗物质晕的演化过程，让天文学家看见这种看不见的东西，以便进行研究，并预言其可见的结构，以便天文学家有目的地观测。我们希望“巨型模拟”能够阐明暗物质和暗能量的准确性质，目前我们对这些还一无所知。

数据来源

于是，“巨型模拟”就能够以人冷暗物质宇宙学和广义相对论为起点进行推演。输入的观测数据是目前最精确的，包括通过大爆炸的热辐射残余测得的宇宙学参数和观测得到的星系与星系团分布。

1964年，贝尔实验室的物理学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊偶然发现了宇宙微波背景辐射。普林斯顿大学的宇宙学家罗伯特·迪克、詹姆斯·皮布尔斯、大卫·威尔金森很快就意识到，彭齐亚斯和威尔逊发现的这种微波背景噪声正是乔治·伽莫夫等人于1948年所预言的、炽热的大爆炸历经数十亿年降温所遗留的宇宙微波背景辐射。

人冷暗物质宇宙学预言了不均匀的物质和能量应当如何分布，才能使轻微成团的早期宇宙演化出星系、星系团，乃至更大的宇宙构造，例如超星系团和没有什么星系存在的极为庞大的巨洞。1989年，NASA发射了“宇宙背景探测器”（COBE），以验证宇宙微波背景辐射是否确如轻微成团的早期宇宙的模型所预言的那样，存在微小的温度差异。1992年，COBE团队宣布，他们果然观测到了不同方向上的温度分布存在着预言中的微小各向异性（不均匀性）。六年后，有两支研究团队分别独立报道，Ia型超新星观测显示宇宙在过去数十亿年中的膨胀是加速的。这意味着暗能量的存在。

随着观测证据的不断改进，结论也逐渐趋于一致。现在，各种不同的测量方法都显示，目前宇宙总质能中约73%是暗能量，约22%是暗物质。只有5%左右是普通重子物质，而以恒星、气体等形式出现的可见物质只占0.5%上下。

1991年NASA发射了威尔金森微波各向异性探测器（WMAP），它在这些高精度测量中发挥了决定性作用。WMAP和其它一些观测项目精确测出了宇宙年龄约为137亿年（误差在1%以内）。更重要的是，在过去十年中WMAP绘制出了高清晰度的图像，极为细致地标定了覆盖全天的宇宙微波背景辐射的温度等参数。通过分析这种宇宙原初辐射遗迹中的微小变化，得到了关于宇宙的历史、结构和组成的大量信息。微波背景辐射中微乎其微的温度差异，对应于早期宇宙中稍热或稍冷的不同区域，亦即稍疏或稍密的区域。在早期宇宙的膨胀过程中，万有引力极度地放大了这种密度上的微小差异，造就了著名的“宇宙之网”——星系组成的漫长纤维，周围是空旷的巨洞。在斯隆数字化巡天等大尺度星系巡天中可以清楚地看到这些景象。

2008年，WMAP团队公布了WMAP5数据集，它累积了五年中对微波背景辐射的精细结构的测量结果，并结合了最可靠的地基望远镜观测。

“巨型模拟”就是以WMAP5的宇宙学参数为基础的。而且，WMAP5与公布于2010年的WMAP7数据集完全一致，后者是以该探测器最初七年的累积观测数据构建的，同样结合了地基观测。

盒子中的宇宙

科学研究中的许多学科都会分析有代表性的较小样本，然后由此得到普遍性的认识。“巨型模拟”也是如此，它随机选取了宇宙中一个有代表性的较小区域建立了模型。具体地说，它要计算的是一个目前边长为十亿光年的立方体空间，其中包含有数百万个诞生并身处于暗物质晕中的星系。

“巨型模拟”运行于NASA艾姆斯研究中心的“昴星团”计算机上，该中心位于加州的圣何塞附近。截止到2011年11月，“昴星团”在超级计算机运行速度的全球排行榜上名列第七，在全美国位列第三。它的功能极其强大，得到了NASA和美国科学基金会的资金支持。整个“巨型模拟”的计算工作需要耗费600万个CPU小时。它的软件名为“自适应改进树”（Adaptive Refinement Tree，ART），由Anatoly Klypin编写。它可以达到5000光年的分辨度，对于所要模拟的巨大空间，可谓非常精细。相比较之下，银河系可见盘面的直径约为10万光年，其暗物质晕的直径则高达200万光年。

“巨型模拟”的起算时间约为大爆炸之后2400万年。对于此前发生的过程，无需超级计算机就可以用较简单的计算加以准确判断，因为那时候宇宙密度中的量子涨落依然非常微小。“巨型模拟”要计算86亿个质点的演化过程，它们之间存在着相互的引力作用。每个质点都代表着大约2亿倍太阳质量（约为银河系暗物质晕的1/5000），包括普通重子物质和暗物质。

在模拟宇宙演化的过程中，“昴星团”超级计算机记录下了为数众多的庞大数表，它们相当于宇宙的三维“快照”，或者说是宇宙演化的3D电影巨制中的单帧画面。每幅快照都包含有400GB的数据，囊括了那一瞬间每个质点及与其运动状态有关的信息。目前，全球天文学家已经可以对这些快照展开分析了，他们可以得到自大爆炸开始到如今180个不同时刻的所有暗物质晕的性质列表，并描述出早期宇宙中的晕是如何融合成后来的大暗物质晕。这些分析使他们能够对宇宙的三维人CDM模型加以探究，并研究暗物质晕、星系和星系团是如何并合与演化的。

例如，将星系与暗物质晕联系起来的最简单路径采取了晕—丰度匹配法（halo abundancematching，HAM），也就是将越明亮的星系与暗物质粒子运动速度越快的晕相联系。这一联系与实际观测结果是一致的，如果成员恒星的运动速度较快，那么无论是旋涡星系还是椭圆星系，都显得更大、更明亮。

晕—丰度匹配可以帮助“巨型模拟”预言在不同区域发现不同亮度的星系的可能性。实际观测有力地支持了这些预言，而“千年模拟”的预言的结果则稍显逊色。而且，“巨型模拟”的高分辨率能够帮助天文学家们预期，有多大比例的巨型星系可以拥有质量和亮度堪比大小麦哲伦云的邻近伴星系。预测结果是，71%的巨型星系没有这样的明亮伴星系，23%拥有一个，5%拥有两个（例如银河系），1%拥有三个以上。“巨型模拟”的这些预言再次完美地获得了观测的证实。“巨型模拟”的预言一次次成功地符合观测结果，有力地证明了它所给出的宇宙结构演化路径的总图景。

来自世界其它地方的几组天体物理学家考虑了气体聚集为恒星的转变、特大质量黑洞对气体的吸积，以及由此释放能量的各种效应，正试图利用“巨型模拟”的暗物质晕并合史来建立星系演化的模型。

更多的模拟项目

“巨型模拟”运行于2009年，2010年至2011年进行了数据分析。它是在NASA的“昴星团”计算机上运行的一系列模拟计划中的第一个。

第二个模拟项目叫做“大巨型模拟”（BigBolshoi）或“多重暗模拟”（MultiDark），2010年运行，所用宇宙质点数量和“巨型模拟”一样多，但是所模拟空间的大小是40亿光年——每个边长都是“巨型模拟”的4倍，体积则是后者的64倍之多。虽然分辨率不及“巨型模拟”，但是“大巨型模拟”可以预言星系团和其它大尺度宇宙结构的性质和分布。它的结果可以帮助重子振荡分光巡天（Baryon Oscillation SpectroscopicSurvey，BOSS）等项目，这些项目旨在通过测量宇宙膨胀的历史来确定暗能量的性质。

2011年秋季，第三个分辨率更高的模拟——“迷你巨型模拟”（miniBolshoi）——在“昴星团”计算机上开始运行，它会模拟很多小范围区域（直径数百万光年）的形成过程与分布，其中总共可以含有数百个质量与银河系相当的星系。它的分辨率很高，足以模拟这些星系周围可观测到的最小的矮星系。在改进了模拟程序之后，有望在2012年完成“迷你巨型模拟”。我们希望，能够通过统计这些伴矮星系的数量变化来弄清为什么巨型星系周围的伴星系看上去比理论预期要少。如果理论预言和实际观测不一致，或许我们就需要一个能够替代标准人冷暗物质宇宙学的理论了——例如，尽管暗物质粒子只受引力作用，而且与普通重子物质的相互作用非常微弱，但它们自身之间具有相当强烈的相互作用。

新的实验科学

迄今为止，宇宙学都是一门历史性的、纯观测性的科学。和地质学、古生物学一样，宇宙学作为历史性科学的主旨也是通过数百万年至数十亿年前遗留下的证据来重构宇宙、地球和生命的演化史。地质学家和古生物学家是在实验室里研究岩石标本或生物遗骸的化石标本。而这两门学科的难度尽人皆知，因为地球活跃的地质活动摧毁了远古的地质学证据。所以，极少有生命体能够变为化石，而我们找到的化石更为罕见。

天文学家研究宇宙的主要方式是接收和分析天体在亿万年前所发射的电磁辐射的波谱（此外还有宇宙射线、中微子携带的信息，未来还将包括引力波）。在所有波段上发出的这些辐射仍然在宇宙中面临重重阻隔地跋涉而来。天文学家们已经掌握了三种关键工具来解读这些“化石”光子：地面上和大气层以外的巨型望远镜等设备，用于捕获这些光子；精妙的理论，用于解读这些光子蕴含的信息；高性能的超级计算机模拟，用以在这些观测和理论的基础上构建宇宙模型。

在这一研究进程中，超级计算机是必不可少的工具。宇宙学家们不可能从现实的宇宙中切出一大块来进行实验室研究，所以他们必须使用计算机来进行实验。超级计算机模拟重现了宇宙从大爆炸后不久开始的几乎整个演化历程，可以高清晰、形象化地展现其中的每个片段。天文学家可以借助它弄清楚，初始条件和物理假设在宇宙开始那一瞬的微妙变化将给宇宙演化带来怎样的影响，并得到将来可由实际天文观测检验的科学预言。大体上我们可以如是说：因为有了计算机宇宙模拟技术，天文学正在变为一门实验性的科学。

——译自《天空与望远镜》（2012年7月号）

（责任编辑：郭晓博）