- 阿貢國家實驗室完成了史上最大宇宙模擬，涵蓋28.6億光年。
- 模擬使用了8,100個計算節點和約50,000個GPU，運行約四天。
- 研究重點在於理解宇宙膨脹及其對星系形成的影響。
- 這些模擬有助於提取更可靠的宇宙測量結果。
美國能源部阿岡國家實驗室的研究人員完成了兩項史上最大的宇宙學模擬，模擬了 13.4 兆個暗物質粒子，涵蓋了 28.6 億光年的宇宙區域。這些模擬運行於阿岡的超級計算機 Aurora，使用了 8,100 個計算節點和約 50,000 個圖形處理單元（GPUs）。該團隊在約四天內完成了這兩項運行及大部分數據分析，創建了龐大的數據集，旨在幫助科學家研究宇宙的最初時刻，並解釋主要天文調查的觀測結果。
理解宇宙膨脹的挑戰
項目由阿岡計算科學家 Nicholas Frontiere 主導，重點在於理解宇宙膨脹，這是一個在大爆炸後不久的極快擴張時期。儘管膨脹是現代宇宙學的一個核心部分，但驅動它的物理學仍然不確定。
根據研究人員的說法，膨脹將微小的量子波動拉伸到早期宇宙的廣大距離。經過數十億年的時間，重力放大了這些小的密度變化，幫助形成了今天觀察到的大規模宇宙網絡，包括星系和暗物質。暗物質無法通過普通光線直接觀察，但其重力影響有助於塑造星系的分佈。這些模擬使用粒子來追蹤暗物質的密度和速度，使科學家能夠模型化宇宙結構的演變。團隊特別感興趣於原始非高斯性：與標準膨脹模型預測的簡單統計分佈的微妙偏差。
檢測這些偏差可能有助於區分不同的膨脹解釋，並揭示有關宇宙最初條件的更多資訊。然而，任何潛在的信號預期都會微弱，並可能被宇宙變異遮蔽，這是當觀測僅覆蓋有限部分宇宙時產生的統計不確定性。因此，研究人員需要結合龐大數據體量及足夠解析度的模擬，以捕捉暗物質暈，星系形成的結構。
Aurora計算能力的重要性
Aurora 的計算能力在這方面至關重要。該機器擁有 10,624 個節點和 63,744 個 GPUs，並配備高容量內存和專為處理龐大數據流而設計的存儲系統。這些模擬通過 Aurora 的分佈式異步對象存儲系統生成了超過 85 PB 的數據，主要用於檢查點。這些檢查點允許計算在中斷後恢復，而不是從頭開始重啟。團隊保留了約 8 PB 的數據進行科學分析。團隊使用了阿岡的硬件/混合加速宇宙學代碼（HACC），該代碼旨在跨不同超級計算架構運行大規模宇宙學模擬。
與早期在橡樹嶺國家實驗室 Frontier 系統上進行的項目不同，該項目模擬了重力及氣體、恆星和其他過程，Aurora 的模擬則專注於重力本身。這種方法使研究人員能夠用更多粒子覆蓋更大的宇宙體積。
這兩個模擬使用相同的宇宙學模型和非高斯信號，但其初始階段是翻轉的。將它們一起分析有助於抵消一些隨機變化，並隔離潛在的物理現象。信號強度也被隱藏，允許研究人員在不知道預期答案的情況下測試分析方法。所產生的合成觀測結果將幫助科學家驗證工作流程並識別潛在偏見，然後將其應用於來自美國能源部支持的暗能量光譜儀（DESI）和 NASA 的 SPHEREx 任務等項目的真實數據。
通過在天空中生成現實的模擬觀測，這些模擬可能幫助研究人員從這些調查中提取更可靠的測量結果。其規模也為科學家提供了一個強大的測試平台，以檢查早期宇宙的微妙特徵。
模擬填補理論與觀察的差距
該項目通過能源部的創新與新穎計算對理論與實驗的影響計劃獲得了計算時間。隨著 DESI、SPHEREx 及其他調查收集越來越詳細的觀測數據，這種規模的模擬有助於填補理論模型與天文學家實際觀察到的宇宙之間的差距。
項目 規格 計算節點 10,624 GPU 數量 63,744 數據生成量 超過 85 PB 保留數據量 約 8 PB
大型模擬對宇宙學研究的貢獻
這項大型宇宙模擬不僅展示了阿貢國家實驗室在計算能力上的突破，還強調了理解宇宙膨脹的複雜性。通過模擬暗物質的行為，科學家能夠深入探討早期宇宙的狀況，並可能揭示影響星系形成的關鍵因素。隨著觀測數據的增加，這些模擬將成為連結理論與實際觀察的重要工具，進一步推動宇宙學的發展。