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瑞士科學家模擬出史上最大虛擬宇宙,研究暗物質和暗能量

瑞士蘇黎世大學的天體物理學家在一台大型超級電腦上,模擬了整個宇宙的形成。這是迄今為止人類模擬出的最大的虛擬宇宙,獲取的研究數據將用於調整 2020 年發射的歐幾里得(Euclid)衛星,研究暗物質和暗能量。

於過去三年,研究人員研發並優化了模擬宇宙的程式,充分利用超級電腦的可用記憶體和處理能力,高度準確地描述了宇宙中暗物質動態和大尺度結構的形成。在瑞士國家計算中心(Swiss National Computing Center,CSCS)的超級電腦上運行了 80 小時後,程式產生了 2 萬億(10e12)個代表暗物質流的宏觀粒子,從中產生了一份巨大的星系目錄,包含 250 億個虛擬星系。

研究暗宇宙的組成

經過精確計算,研究人員模擬了暗物質流在其自身引力下的演變,繼而模擬了低密度物質,即暗物質暈(dark matter halos)的形成。科學家認為,銀河系正是從暗物質暈中形成的。按照歐洲歐幾里得任務的要求,這項研究要在整個可觀測宇宙的範圍內,模擬體積僅為銀河系十分之一的星系。

測量光路扭曲

科學家相信,宇宙之中約 95% 的組成都是「黑暗的」(dark),這包括 23% 的暗物質和 72% 的暗能量。暗能量的本質是現代科學的一大未解之謎。暗物質和暗能量不可直接觀測,只能通過間接手段研究。正如光線通過一塊不均勻的玻璃板會發生扭曲一樣,遙遠星系的光途經暗物質時,也會發生偏向(deflection)。歐幾里得衛星可以捕捉到這些微小的扭曲,幫助科學家們研究暗物質和暗能量。

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優化衛星的觀測方法

歐幾里得衛星將於 2020 年發射,執行為期 6 年的數據收集任務。它將對宇宙進行層析成像,追溯 100 億年以前的宇宙進化。虛擬宇宙所產生的星系目錄,將幫助改善衛星的觀察策略,減少各種誤差。通過分析歐幾里得衛星收集的數據,科學家們將對暗能量的本質有進一步了解,更有希望發現物理學新突破,如廣義相對論的改進,或新粒子的發現。

參考資料:

Potter, D., Stadel, S. & Teyssier, R. (2017). PKDGRAV3: beyond trillion particle cosmological simulations for the next era of galaxy surveys. Computational Astrophysics and Cosmology. doi:10.1186/s40668-017-0021-1

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