【科研论文科普解读】

  宇宙的浩瀚与神秘，始终牵引着人类的探索欲望。我们所处的银河系在宇宙中究竟占据何种位置？从大爆炸至今的百亿年间，宇宙又经历了怎样的演化历程？

  4月23日，由中国科学家领衔的国际团队，正式发布超大规模宇宙学N体模拟项目“千衍”（HyperMillennium）的首批研究成果，为人类探索宇宙奥秘提供了一份高精度数字导引图谱。

  这个“人造宇宙”，到底有多厉害？

  “千衍”作为超大规模宇宙学N体模拟项目，覆盖了边长约120亿光年的宇宙空间，使用约4.2万亿个暗物质粒子，通过N体模拟技术，高精度追踪暗物质在宇宙演化过程中的聚集与结构形成，最终输出100个演化阶段的模拟快照，完整还原了宇宙从早期到如今的“成长轨迹”。

  除了精准追踪暗物质演化，“千衍”还具备强大的数据分析与呈现能力。它从宇宙大爆炸后的早期阶段起步，通过计算宇宙中物质的引力作用，高精度再现了百亿年尺度上宇宙大尺度结构的形成过程。依托星系形成半解析模型，“千衍”可生成星系星族、光度、颜色、光谱能量分布及虚拟观测图像等丰富信息，为天文学研究提供了全面的数据支撑。

  目前，“千衍”已取得阶段性突破，其首篇学术论文已在国际权威期刊《皇家天文学会月刊》（MNRAS）正式发表。研究团队以距离地球约40亿光年的阿贝尔2744星系团为研究对象，该星系团由多个星系碰撞并合而成，结构极端复杂，是检验宇宙学模型的重要样本。

  测试结果显示，“千衍”模拟筛选出的星系团类比体，与詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）的实际观测结果高度吻合，在星系数密度、光度密度和投影质量密度分布上均达成一致，充分验证了该项目的超高数值模拟精度与精细化星系建模能力。

  费这么大劲“造宇宙”，到底值不值？

  尽管人类拥有各类天文望远镜用于宇宙观测，但模拟构建虚拟宇宙的价值，恰恰在于弥补观测手段的固有局限，为探索宇宙奥秘提供全新路径。

  “人类观测到的宇宙是‘静态快照’，无法直接看到结构如何演化。模拟就是在计算机中‘重演’宇宙，通过已知物理定律，驱动粒子演化，生成虚拟宇宙，再与真实观测对比，验证理论是否正确。”中国科学院国家天文台研究员赵公博解释说。

  由于宇宙尺度宏大、演化周期漫长，人类通过望远镜观测到的遥远星系，实际是其数十亿甚至上百亿年前的影像，无法实时追踪其演化过程；加之暗物质、暗能量占据宇宙总质量的绝大部分，却无法通过望远镜直接观测，只能通过其对可见物质的引力作用间接推测。“千衍”则能精准还原暗物质的分布与运动规律，为破解暗物质、暗能量之谜，深化星系演化规律认知提供重要支撑。

  宇宙学数值模拟本身是国际超级计算机平台上的核心科学应用，需长期占用大规模超算资源，其技术难度极高，也是宇宙学与高性能计算交叉领域的重点研究方向。而“千衍”正是填补观测短板、助力基础科研突破。

  此外，“千衍”的模拟数据还将为大型巡天项目提供关键科学支撑。未来，中国空间站巡天望远镜（CSST）、欧洲空间局欧几里得空间望远镜（Euclid）等将开展大规模巡天观测，“千衍”输出的数据将帮助科研人员更高效地解读观测结果、锁定研究目标，提升巡天项目的科研效能。

  德国马普天体物理研究所所长VolkerSpringel教授表示：“‘千衍’模拟重新定义了当今数值宇宙学所能达到的水平。该团队成功实现这一超大规模、高精度的模拟，令我印象极为深刻。其强大的统计效能使我们能够对ΛCDM宇宙学模型开展新的高精度检验，这对该领域而言非常重要。”

  “千衍”的背后，是中国技术的底气

  “千衍”能够实现超大规模、高精度的宇宙模拟，离不开国产技术的硬核支撑，这也标志着我国在宇宙学与高性能计算交叉融合领域取得重要突破。

  核心软件实现自主可控是关键。“千衍”所使用的PhotoNs软件，由高亮研究员领导的国家天文台团队历经十余年自主研发，并针对国产超算平台进行深度优化。经过数年攻关，团队成功实现了在上万张加速卡上的长时间高效稳定计算，打破技术壁垒，为模拟项目的顺利推进奠定了坚实基础。

  超算平台的硬核算力提供了重要保障。整个模拟过程依托中国科学院计算机网络信息中心“东方”（ORISE）超级计算机完成，其强大的算力支撑，使得4.2万亿个暗物质粒子的高精度模拟得以实现，为“千衍”成果的诞生提供了硬件支撑。

  美国德克萨斯大学奥斯汀分校MikeBoylan-Kolchin教授评价：“我们正进入一个新时代：对巨大宇宙学体积的巡天观测，有潜力彻底改变我们对暗能量、宇宙暴胀以及中微子性质的理解。要实现这一目标，我们需要与之匹配的先进理论工具。‘千衍’模拟是一项计算奇迹，将帮助我们从宇宙观测中揭示基础物理规律。它在模拟体积和质量分辨率的覆盖范围上前所未有，使我们能够详细预测大量相对常见星系在宇宙网中的分布方式，也能研究那些本身罕见且富有研究价值、但在较小体积模拟中难以触及的天体的性质。未来多年里，‘千衍’模拟都将成为星系形成和宇宙学研究领域的重要标志性成果。”

  据悉，“千衍”首批数据计划后续通过国家天文科学数据中心向全球发布，实现科研成果全球共享。未来，“千衍”将持续优化模拟精度、拓展模拟范围，进一步助力暗物质、暗能量本质的研究，深化人类对宇宙演化规律的认知，同时为更多大型天文观测项目提供支撑。（光明网记者宋雅娟 肖春芳）