数字宇宙:数值模拟揭开暗物质分布的隐形衣

发布时间:2021/9/23 11:59:49
作者:中科曙光 来源:微信公众号 阅读量:

大量天文观测证据都证实了暗物质及暗能量的存在。暗物质大约占到宇宙所有物质的84%,但我们却不能感受到它们,那如何揭开暗物质在宇宙中分布的“隐形衣”?

如今,科学家用高端算力,基于数值模拟技术可以精确预测暗物质在宇宙中的分布,并进一步揭示宇宙大爆炸1600万年之后至今约137亿年的漫长演化进程。

N体模拟方法,研究宇宙中暗物质的演化

主导宇宙引力的暗物质只受引力作用,在忽略少量普通物质的其他作用力后,N体模拟方法是获得暗物质在宇宙里如何运动以及分布的有效方法。

如下图所示,将宇宙中一个早期区域内分布的大量暗物质粒子用一个立体盒子里的N个质量相同的点粒子代替,并根据宇宙学模型给予这些粒子原初位置和速度,那么我们将通过这N个粒子在引力下的运动从而“看到”它们最后形成的结构。

计算机推动着现代宇宙学的发展和应用

中科院国家天文台计算宇宙学团组李明博士表示,宇宙尺度上物理过程的多样性和高度非线性使数值模拟成为现代宇宙学必不可少的研究手段,天体物理领域日益增长的研究需求也推动高端算力及计算技术的发展。

20 世纪 60 年代,数值模拟技术最早进入宇宙学研究领域, 受限于当时的计算机技术水平, 模拟粒子数只有几百或上千, 而目前超大规模的宇宙学模拟已能采用数百亿, 甚至上万亿的暗物质粒子网格来追踪宇宙中的结构形成。

精确宇宙学时代的数值模拟对计算硬软件技术提出了挑战性的应用需求。曙光计算服务提供的算力可完成大规模尺度的模拟规模, 同时适应密集型的计算需求, 异构计算部件已在计算中被大量采用,EB级存储资源可解决海量数据存储的问题。通过对体系架构的改变和软件优化,实现高度的负载均衡和并行化、可扩展性、容错性,进一步提升模拟运算的稳定性。

现代宇宙学的未来展望

在天文研究领域, 大规模高精度的数值模拟可以为大型观测计划的实施提供可能的最优化设计。算力互联的发展和性能的快速提升和广泛普及, 过去难以实现的对复可以预计, 复杂物理过程的仿真模拟今天已变得相对容易。

在未来十年, 伴随大规模巡天观测投入实际运行,计算软硬件技术的高速发展, 计算宇宙学仍是充满挑战和激动人心的领域, 并将在回答暗物质、暗能量、暗宇宙中的结构形成等重大科学问题上发挥重要的作用。

9月16日曙光邀请中科院国家天文台计算宇宙学团李明博士分享《数字宇宙:浅谈高密计算在计算宇宙学中的应用》,回顾并介绍计算宇宙学领域中的模拟技术的发展。伴随下一代大规模巡天计划逐步实施,计算宇宙学领域面临的机遇与挑战。

礼遇开学季.第四期直播预告:《浅谈计算机靶向蛋白的设计研究》

如何通过计算机辅助设计提高蛋白的功能?如何实现蛋白从头设计?

第四期讲座诚邀301医院转化医学研究中心赵磊博士简要介绍蛋白结构与功能的基础上,结合自身研究探讨借助计算机辅助设计来提高酶催化活性、增强抗体抗肿瘤活性、获得多靶向抗体关键技术。并结合目前最新蛋白设计研究进展,借助计算实现蛋白从头设计,获得超越自然进化的超级蛋白。

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