计算机中的星系

下次你感觉你的电脑正用尽全力处理你的工作负荷时,想想计算宇宙研究所(ICC)的物理学家们吧。

位于都汉姆大学的研究所内的研究人员们将他们的电脑全部用来重建十亿年来星系形成和发展的过程。

幸运的是,研究所的电脑性能要比你家的桌面电脑强多了。

它使用大约 800 颗 AMD 处理器核心和 1600 GB 内存组成的超级计算机群来运行其宇宙模型,该模型以构成星系的混合物质和能量的相关信息建成。

这些数据被送入表示物理学基本定律——构成宇宙万物的发展的力量——的等式中,然后交给研究所的超级计算机处理。

你可以看看这些构建宇宙万物模型的超级计算机的照片:数码星系和其背后的超级计算机

它所构建的模型让研究所能够模拟那些研究人员相信是星系构造的关键的过程。这包括了暗物质——看不见、只能通过其重力探测的物质——和宇宙的冷热变化、恒星形成的过程以及超新星爆炸对星系中气体的冲击的影响。

supercomputer galaxy formation model

该研究所的一个直径上千光年的恒星带模型模拟出了一个类似银河的星系。
(图片来源:A.P. Cooper 和 J. Helly /处女座协会)

但即使有了所配置的所有这些计算能力,该研究所还是发现技术有时还是跟不上它的工作的需求。

例如,储存就是该组织的头疼之处——也许当你知道运行一次星系形成中暗物质的影响的计算机模型就能产生 20TB 的数据,你就不会感到惊讶了。即使数据还被归档在研究所目前保存了大约 100TB 数据的磁带库中,研究人员一直在删除过时的不需要的数据来释放研究所 300TB 储存阵列的空间。

该研究所还仍然受到计算机中的星系形成模型——以及它们所含有的数十亿颗恒星——的准确程度的限制.

ICC 的计算机集群管理员 Lydia Heck 博士说 ICC 在运行星系形成时暗物质的作用的模拟程序时一度耗尽了其超级计算集群的处理器和内存。

而已经全力以赴的集群甚至还没有处理大型模型。

物理学家不得不简化他们所使用的宇宙模型,以便产生的数据集足够小,能让超级计算机群的 64 位芯片准确计算,也能符合集群可用的内存的能力。

简化计算机模型的一种方法是丢弃所建模型的部分细节——例如,选择一次给上百万颗恒星的组成建模,而不是试图给一个星系中的数十亿颗恒星一一建模。

另一种简化方法是近似处理星系中的某些力的效果,例如放弃尝试建立星系中所有物体的引力模型。

“如果你想要把即使只是单个星系这样的小尺度的整个宇宙放入电脑中,而且还想要计算每个细节,我认为你是无法做到的,”Heck 说。

“你不得不取近似值,你不得不决定哪些是不重要的,你可以忽略掉。”

institute for computational cosmology supercomputer

计算宇宙研究所的主超级计算机,由 800 颗 AMD 处理器和 1600 GB 内存组成。
(照片来源:计算宇宙研究所)

模型和真实星系的区别
为了改善模型,研究人员使用了消去法,将通过天文学家观测到的星系数据构建的计算机模型生成的星系的属性进行比较,查看计算机模型是否和真实情况相符。

“我们增加了创造恒星的步骤,这样我们就能够让宇宙明亮起来,拿它来和我们透过望远镜所看到的作比较,”ICC 的物理学教授 Richard Bower 告诉 silicon.com。“我们能够在计算机里追踪这些恒星形成的时间和地点,将它们和我们所看到的进行比较。”

如果计算机模型中的星系无法与真实观测结果很好地符合,研究人员就将模拟中的其他部分简化,然后查看模型是否能够更好地符合真实数据。

Bower 说随着计算机处理器变得越来越强大,以及储存能力的增加,研究人员已经能够创作星系构成的更详细更准确的模型了。

“几年前我们要是能够模拟并展现一个有着几千个质点的星系就已经很幸运了【根据模拟情况,每个质点表示 1 万至 100 万颗恒星】,”他补充道,“显然这根本不够复杂,星系比这复杂多了。

“现在我们正在建造有着上千质点的星系——目前的工艺水平是在一片典型宇宙中建立单个星系的构成模型。

“也许在接下来的 5 年内人们将能够建立星系群或者小片的完整宇宙。”

该研究所的超级计算机群——曾经是欧洲用于学术研究的最强大的超级计算机——自从 2006 年最近的一次升级以后在国际超级计算机排行榜上的名次就一直在下滑。

不过,很快就会迎来新一次的升级,在 12 月前该研究所就会有建立起 160 万欧元的集群了。它将会拥有数倍于目前的集群的处理能力、更高的内存,将增加研究所的储存能力 600TB,并能够比 ICC 目前建立的集群更快地在处理器间传输数据。

据 Bower 所称,新的计算集群将允许研究人员建立使用更少近似值的模型,“得到更真实的计算结果”。

“在我们改进这一计算机后,预计我们将建立起一个和我们所看到的宇宙更相像的模拟宇宙,它也有可能会告诉我们缺少了什么重要的组件。

“我们即将获得的计算能力的飞跃真的会非常重要,”他说。

新发现
一旦建立起一个能够生成属性和天文学家所测量的相吻合的星系模型,宇宙学家接着就能在计算机模型中研究星系构成的形式,发现更多有关它们在现实世界中的构成的过程了。

迄今为止,该研究所的计算机模型所得出的最重要的发现之一就是揭示了黑洞如何影响恒星的构成,继而影响整个星系的。

简单地说,该模型模拟了黑洞所放出的射流能量让组成恒星的气态物质爆炸而脱离星系,阻止了恒星的形成。这一发现接着带动了更准确的星系组成和发展的模型的建立。

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一个模拟宇宙大爆炸后十亿年的宇宙结构的计算机模型,绿色的漩涡表示暗物质,圆环表示形成中的星系
(照片来源:来自都汉姆大学物理学院的 Sarah Noble 和 Vicky Greener)

除了致力于星系形成,研究所的计算机还被用于建立可见宇宙的结构模型——这一过程包括了构建“宇宙网络”的模型,所谓宇宙网络就是组成可见宇宙的一系列星系和广阔无边的虚空。

宇宙网络模型被设计用来让人们深入观察宇宙扩张的速度和暗物质——这股据信散布在宇宙中为宇宙扩张提供动力的能量——的天性。

ICC 并非孤军奋战,它是处女座协会的成员。这是一个由全世界科学家组成的组织,他们分享用于运行宇宙模拟的计算资源,探索类似星系的构成和演变以及暗物质分布等领域。

这些计算机模型通过帮助研究人员更深入了解宇宙的构成,终有一天将能帮助物理学家们预测宇宙演化的未来。

“我们将会从不同的初始状态生成一个宇宙,然后研究诸如‘要是宇宙中没有暗物质会怎么样?会不会产生不同的星系?’之类的问题。”Bower 说。

“那些问题目前看来还相当遥远,我的大部分同事都认为我是疯了才会把它们拿出来,不过说到底这些是非常令人激动的研究方向。”

 

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