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    还有什么比这更美?超震撼:有史以来分辨率最高的宇宙模拟!

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      受到《星际迷航》中罗慕兰太空飞行科幻小说的启发,天体物理学家使用XSEDE分配的超级计算机,开发了名为RomulusC的宇宙学计算机模拟,其中“C”代表星系团。由于专注于黑洞物理,RomulusC制作了一些有史以来分辨率最高的星系团模拟,这些星系团可以包含数百个甚至数千个星系。在《星际迷航》中,罗慕兰人用人造黑洞为宇宙飞船提供动力。

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      而在现实中,事实证明黑洞可以驱动恒星的形成和整个星系的演化,这项星系团模拟工作,正在帮助科学家绘制未知宇宙的地图。此前一项研究得出了RomulusC模拟的结果,该结果发表在英国《皇家天文学会月刊》上。探测了星系团内和星系团内介质周围主要由氢和氦组成的电离气体,这些气体填充了星系团中星系之间的空间。超过一百万开尔文的热而稠密气体填充了内部星系团,金属丰度大致均匀。

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      在100.01亿开尔文之间的冷热气体潜伏在边缘的零星分布中,金属种类更多。冷热气体看起来像水母的尾巴,跟踪了星系落入星系团并失去气体的过程。气体从坠落的星系中剥离出来,最终与星系团的内部区域混合。该研究的合著者、华盛顿大学天文学系博士生伊琳娜·布茨基(Iryna Butsky)说:研究发现星系团中存在大量这种冷热气体,与热气相比,这种冷温气体的痕迹结构截然不同,互为补充。

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      同时还预测,现在可以用哈勃太空望远镜宇宙起源光谱仪等现有仪器观察到这种冷温成分。科学家们刚刚开始探测星系团内的介质,这种介质扩散得如此之快,以至于它的排放,在任何现有的望远镜中都看不见。科学家们正在使用RomulusC来帮助间接观察星团,利用类星体的紫外线(UV)光,类星体作用就像灯塔一样照耀着气体。这种气体吸收紫外光,当用哈勃太空望远镜上的宇宙起源光谱仪等仪器进行分析时,产生的光谱产生了密度、温度和金属丰度分布。

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      关于模拟,有一件很酷的事,那就是研究人员知道模拟盒子里到处都在发生什么,可以进行一些合成观测,并将它们与在吸收光谱中实际看到的进行比较,然后将这些点连接起来,将观察到的光谱进行匹配,并试图了解这个模拟盒子里到底发生了什么。同时还应用了加州理工大学卡梅隆·胡梅尔斯和同事开发名为“三叉戟”的软件工具,该工具获取合成吸收线谱,并添加了一些关于HST的噪声和仪器怪癖。

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      最终结果是一个看起来非常真实的光谱,可以直接与现有的观测结果进行比较。但是,对于观测,不能做的是从一维光谱重建三维信息,这就是弥合观测和模拟之间差距的原因。最新科学支持RomulusC模拟背后的一个关键假设是:构成星系团内介质的气体至少部分来自星系本身。研究的合著者、华盛顿大学天文学教授汤姆·奎因说:我们必须建立模型,说明气体是如何从星系中流出的,这是通过超新星爆炸和来自年轻恒星的超新星来实现的,这意味着要应对的动态范围超过10亿。

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      更重要的是,星团不是孤立形成的,所以必须考虑它们的环境。还有一个计算挑战,这是超级计算机集群所特有的,大多数计算活动都发生在集群的最中心。尽管模拟的体积要大得多,但大部分计算都是在一个特定区域进行。当你试图在一台拥有数万个内核的大型超级计算机上模拟这一点时,如何将计算分布在这些核心之间,这是一个挑战。然而汤姆·奎因对计算挑战并不陌生,自1995年以来,他一直在使用由国家科学基金会(NSF)资助的XSEDE的资源。

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      RomulusC在德克萨斯高级计算中心(TACC)的Stamecid2系统上作为一个概念验证和友好的用户时间开始。研究还得到了TACC工作人员的帮助,帮助在多核、每个芯片68个核的机器上启动和运行代码。最终将RomulusC扩展到32000个处理器,并在国家超级计算应用中心的Blue Waters系统上完成了模拟。一路上,它还在圣地亚哥大学一个有组织的研究单位圣地亚哥超级计算机中心使用了NASA昂宿星超级计算机和XSEDE分配的彗星系统。

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      彗星系统填补了一个特殊的领域,它有大量可用的存储节点。分析的特定方面,例如识别星系,在分布式存储机器上不容易完成。拥有大型共享内存机是非常有益的。从某种意义上说,我们不必完全并行化分析的那个特定方面,拥有大数据机器才是最重要的。如果没有XSEDE,不可能做这个模拟,这本质上是一种能力模拟,研究不仅需要实际进行模拟的能力,也需要分析机的能力。下一代模拟将使用美国国家科学基金会资助的Frontera系统进行。

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      该系统是最快的学术超级计算机,目前在世界上最快的超级计算机中排名第五。现在在Frontera上,研究人员正在对单个星系进行更高分辨率的运行。自从开始这些模拟以来,研究人员一直致力于证明是如何模拟恒星形成的。当然有更强的计算能力,所以再一次提高质量分辨率,对单个星系的模拟更逼真,更多更大的星系团也会很好。研究人员表示,使用超级计算机对宇宙建模的真正酷之处在于,它能在进行实验方面发挥独特的作用。

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      在许多其他科学中,你可以有一个实验室,可以在那里检验你的理论。但在天文学中,你可以提出纸笔理论,观察宇宙的本来面目。但如果没有模拟,很难进行这些测试,因为很难再现空间中的一些极端现象,比如时间尺度和获得一些极端天体的温度和密度,要想在理论工作上取得进展,模拟是极其重要的。RomulusC的宇宙学星系团等模拟的研究成功,现已发表在《皇家天文学会月刊》上。

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      博科园|研究/来自:德克萨斯高级计算中心

      参考期刊《皇家天文学会月刊》

      DOI: 10.1093/mnras/stz2859

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