中國科學家用4.2萬億粒子構建虛擬宇宙，以“大衍之數”推演萬物

宇宙有多大？面對這一問題，天文學家給出的回答是：目前可見物質不過是全部質量的 5%，其余 95% 是暗物質與暗能量，迄今無法被直接探測。星空下，人類的視線曾被望遠鏡的口徑所限。

而在位于北京的中國科學院計算機網絡信息中心，一臺名為“東方”的超級計算機運行了超過 420 小時，走過逾 12,000 個時間步長，模擬了一個涵蓋 4.2 萬億粒子的“數字宇宙”。

4 月 23 日，中國科學院國家天文臺舉辦了一場特殊的科學發布會：由中國科學家王喬領銜的國際團隊，歷經數年攻關，向世界展示了迄今規模最大的宇宙學數值模擬項目：“千衍”（HyperMillennium）的首批研究成果。在“東方”的算力支撐下，它忠實地重現了宇宙從大爆炸后的早期狀態，到今天形成星系、星系團和大尺度結構的漫長演化歷程。

（來源：中國科學院國家天文臺）

宇宙學數值模擬：在硅片上復現萬物生成的“上帝視角”

宇宙的演化過程跨越了百億年的時間尺度，數十億光年的空間尺度。在現代天文學中，科學家無法通過更改變量來觀察星系的碰撞，也無法讓時光倒流，窺探大爆炸后的第一縷曙光。

唯一的破解之道是數值模擬：借助計算機，將宇宙的初始條件（來自宇宙微波背景輻射的觀測約束）作為輸入，按照已知的物理定律（主要是引力）一步步演算，得到今天宇宙的結構分布預測，構建一個與真實宇宙高度吻合的數字孿生體，再與實際觀測進行比對。

這一方法最重要的理論框架是“ΛCDM 模型”（冷暗物質加宇宙學常數模型），它已被數十年來的觀測證據反復驗證，成為現代宇宙學的標準模型。在這個框架下，宇宙的結構——從星系、星系群到包含數百個星系的星系團，再到綿延數億光年的“宇宙纖維網”——通過引力作用，由小至大逐級匯聚而成。

天文學家自上世紀 80 年代便開始嘗試運行數值模擬。其中最具歷史意義的節點，是 2005 年由維爾戈聯盟（Virgo Consortium）發布的“千年模擬”（Millennium Simulation）。該模擬追蹤了超過 100 億個暗物質粒子，描繪出宇宙大尺度結構的基本骨架，至今已是天體物理學領域被引用次數最多的模擬工程之一。

此后，Millennium-II、Millennium-XXL、日本的 Uchuu 和歐洲的歐幾里得旗艦模擬（Euclid Flagship II）等項目相繼推出，不斷推高模擬的體量上限。

隨著新一代天文觀測設備投入使用，現有模擬的體量與分辨率已經開始捉襟見肘。歐洲空間局“歐幾里得”望遠鏡（Euclid）、中國空間站巡天望遠鏡（CSST）等巡天項目將在更廣袤的空間中繪制宇宙中數十億個星系的分布圖，高精度的模擬是后續研究的重要理論支撐與數據標定基礎。既要體量，還要保證精度，正是在這一迫切需求下，“千衍”應運而生。

中國空間站巡天望遠鏡（來源：中國科學院國家天文臺）

“千衍”背后，專為“東方”超算開發的自研代碼

“千衍”（HyperMillennium，縮寫 HM）的命名頗具深意。“千”字呼應其英文名“Millennium”（千年），象征宇宙在漫長時間尺度上的演化；“衍”字則取自《易經》中的“大衍之數”，意在以數值計算為手段，在基本物理規律的約束下，從簡單的初始條件出發，重建宇宙由無序到有序的層級演化歷程。

在技術參數上，“千衍”模擬的規格在當前世界范圍內位居首位。暗物質粒子數量達到約 4.2 萬億，是此前主流大型模擬 Uchuu 粒子數的兩倍，也超過了歐幾里得旗艦 II 模擬的粒子總數；模擬了邊長約合 120 億光年的正方體區域，質量分辨率達到 Uchuu 的同等水平，顯著優于 Millennium-XXL 以及歐幾里得旗艦 II。

值得一提的是，“千衍”背后的核心軟硬件組合幾乎全部由中國團隊自主開發，數值模擬使用了國家天文臺團隊自主開發、專為國產超算優化設計的 PhotoNs-3.7 代碼，并在中國科學院計算機網絡信息中心的“東方”超級計算機上完成運算。

其中，PhotoNs 采用粒子網格（PM）與快速多極展開（FMM）的混合方案來計算引力。與主流的 PM-樹（PM-Tree）方法相比優勢顯著，特別適合在大規模并行超算上運行極大體量的模擬。

當前高性能計算（HPC）的主流架構以 CPU-GPU 異構為主。PhotoNs 充分利用了這一特點：將計算中最耗時、可占全部計算量 90% 以上的的粒子間直接相互作用運算卸載至上萬張加速卡（GPU）中完成。

針對“千衍”這一規模更大的挑戰，團隊對 PhotoNs 再次進行了深度改造：重寫計算核函數，對寄存器和內存中的指令進行精調，并針對“東方”超算特定的通用 GPU 架構進行了適配，同時重構域分解與 MPI 通信機制。

運行 4 萬億粒子規模的模擬需要占用超大內存。為解決這一難題，研究團隊創新地采用了混合精度方案：在引力計算中使用 32 位單精度浮點數來節省空間，但在記錄粒子位置時引入 32 位整型數來彌補精度的損失。實驗證明，這種方案與使用標準代碼得到的結果高度一致，系統誤差極低。

最終，“千衍”模擬耗費約 420 小時墻鐘時間，經歷超過 12,000 個時間步長，在超過 1 萬張加速卡上長期高效穩定運行，圓滿完成任務。

圖 |“千衍”模擬暗物質密度場的一個切片（來源：http://doi.or）

試金石：模擬宇宙能否“生產”出阿貝爾 2744？

一個虛擬宇宙是否可靠，最嚴苛的檢驗在于能否“復現”真實觀測中那些極端的、復雜的特殊天體。研究人員將目光對準了距離地球約 40 億光年的著名星系團：阿貝爾 2744（Abell 2744，簡稱 A2744）。

A2744 是由至少四個獨立星系團在約 3.5 億年時間內相繼碰撞并合的產物，結構極其破碎且動態復雜，因此素有“潘多拉星系團”的外號。在這個星系團中，星系的可見物質只占總質量的約 5%，熱氣體約占 20%，其余約 75% 是無法直接探測的暗物質。

“千衍”模擬必須在統計上“產生”類似 A2744 的極端天體，才能證明它足夠可靠。

研究團隊從“千衍”的虛擬宇宙中篩選出 851 個候選星系團。隨后，他們采用普羅克魯斯特斯分析法（Procrustes Analysis），一種在生物形態學中常用的幾何匹配技術，對候選體進行系統比對。

最終，研究團隊確定了兩組共 9 個與 A2744 構型高度相似的模擬類似體。由于模擬本身只處理暗物質，團隊引入了 L-GALAXIES 半解析模型，為這些暗物質的引力骨架填入星系、顏色、光度等物理屬性，并模擬出韋布望遠鏡（JWST）視角的虛擬觀測圖。結果顯示，模擬預測與 JWST 的實際觀測在光度函數、質量密度分布等多個維度上表現出驚人的一致性，精細度直達 50 kpc 的空間尺度。

（來源：http://doi.org/10.1093/mnras/stag540）

值得注意的是，研究團隊在將解析模型應用于“千衍”時，并未針對 A2744 進行專門的參數調優，這確保了比對結果的客觀性，避免了“過擬合”的嫌疑。這強有力地證實，即使在宇宙最極端的并合環境下，標準ΛCDM 宇宙學模型依然有效，而“千衍”模擬也完全具備刻畫這種極端物理過程的能力。

面向下一代巡天的科學支撐

“千衍”模擬的建設目標，從一開始就是服務于即將到來的新一代大規模宇宙學巡天。中國空間站巡天望遠鏡（CSST）是其中最直接的受益者之一。CSST 預計將以約 0.15 角秒的高角分辨率對約 17500 平方度的天區進行多波段巡天觀測，繪制數十億星系的圖像和光譜，用于精確測量弱引力透鏡、重子聲波振蕩等宇宙學探針。

這類工作要求有高精度的模擬 mock 星系表作為理論基準和系統誤差評估的依據，而“千衍”在體積、分辨率和快照數量（100 幀）的組合上，為此提供了理想的數據基礎。此外，“千衍”模擬首批數據計劃后續通過國家天文科學數據中心面向全球開放發布，這一數字宇宙資源將能為國際天文學社區所共享和利用。

Millennium-II 模擬的主要作者之一、美國德克薩斯大學奧斯汀分校的麥克·博伊蘭-科爾欽（Mike Boylan-Kolchin）教授在評價“千衍”時表示，這是“一項計算奇跡，它在模擬體積和質量分辨率的覆蓋范圍上前所未有”，并預計未來多年里，“千衍”模擬都將成為星系形成和宇宙學研究領域的重要標志性成果。

盡管成就突出，“千衍”模擬也存在一些技術局限。

首先，作為純暗物質 N 體模擬，它不直接包含重子物理，即氣體的流體動力學、輻射冷卻、恒星形成等過程，星系的產生依賴半解析模型的參數化處理，而非從頭數值求解，這對于研究氣體主導的精細宇宙現象有一定的局限性。

其次，由于內存限制，模擬的初始條件采用了澤爾道維奇近似（Zel'dovich approximation），而非更精確的二階拉格朗日攝動理論（2LPT），后者可以更好地抑制粒子噪聲對低質量暈分布的影響。

此外，模擬采用了四年前普朗克數據給出的宇宙學參數，未來，科學家將獲取到更精密的觀測數據，宇宙學參數的測量精度仍將持續提升，屆時或需對模擬結果進行重新標定。

后續工作方面，“千衍”團隊計劃推進對更多極端宇宙天體、宇宙大尺度結構統計特征（功率譜、弱透鏡剪切相關函數等）以及高紅移星系形成歷史的系統研究。

宇宙是一個無法被縮小的實驗室，但人類已經有能力在計算機中為它建造一個數字復本�！扒а堋币� 4.2 萬億個虛擬粒子、120 億光年的模擬邊長，在國產超算的算力驅動下，將宇宙演化的百億年歷史壓縮進 420 小時的計算時間。

從 2005 年的“千年模擬”到 2026 年的“千衍”，二十年間，宇宙學數值模擬的粒子數增長了近 400 倍，中國科學家在這一領域中，也逐漸從參與者走向了引領者�！扒а堋北澈�，“以數推演萬物生成”的東方哲學意象，正在當代宇宙學研究中，以超算代碼的形式得到一次真正意義上的實現。

參考論文：

https://academic.oup.com/mnras/article/548/1/stag540/8529018

排版：胡巍巍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成