来自加州大学圣克鲁斯分校的研究团队，借助橡树岭国家实验室的巅峰超级计算机，运行了迄今为止最为详尽的宇宙模型之一，以探讨暗物质的特性。暗物质是一种假设的宇宙成分，尽管其存在的理论已提出90年，但至今仍然是一个未解之谜。
根据宇宙大爆炸理论中的λ -冷暗物质模型——这是许多天体物理学家认为能够合理解释宇宙现状的模型——宇宙中85%的物质是暗物质。然而，暗物质究竟是什么呢?
“我们知道宇宙中存在大量暗物质，但我们不清楚它的组成成分，也不知道它的粒子特性。我们只知道它的存在是由于其引力效应，”布鲁诺·维拉瑟诺表示，他是加州大学圣迭戈分校的前博士生，也是该研究团队论文的主要作者，该论文最近发表在《物理评论D》上。“如果我们能够限制暗物质的性质，那么我们就能排除一些可能的候选者。”
通过在美国能源部橡树岭国家实验室的Summit超级计算机上进行1000多个高分辨率流体动力学模拟，该团队模拟了莱曼-阿尔法森林，这是一系列吸收特征，形成于来自遥远类星体的光在到达地球时与物质相遇的过程中。这些宇宙气体以不同速度移动，具有不同的质量和范围，形成了吸收线的“森林”。
接着，研究人员模拟了具有不同暗物质特性的宇宙，这些特性影响了宇宙网的结构，并改变了莱曼-阿尔法森林的波动。研究小组将模拟结果与凯克天文台和欧洲南方天文台超大望远镜观测到的实际波动进行了比较，逐步消除了暗物质的影响，直到找到最接近的匹配。
因此，研究小组的结果与Lambda-CDM模型的主要观点相悖，该模型认为宇宙中的暗物质是冷暗物质，因而其缩写指的是暗物质的慢热速度，而非温度。相反，这项研究的最大前景表明了相反的假设：我们可能生活在一个由温暖暗物质构成的宇宙中，具有更快的热速度。
“Lambda-CDM为天文学和宇宙学领域的众多观测提供了成功的视角，但这一基础也出现了微小的裂缝。我们真正要做的是推动这些裂缝，看看这个基本基础是否存在问题。我们是否建立在坚实的基础之上？”项目负责人、加州大学圣迭戈分校天文学和天体物理系教授布兰特·罗伯逊说道。
除了可能颠覆一些关于暗物质和宇宙本身的长期假设外，UCSC项目还因其计算能力而脱颖而出。该团队利用最先进的模拟软件完成了一系列前所未有的全面模拟，这些模拟软件解释了宇宙网结构形成的物理原理，并充分利用了世界上最大的超级计算机的计算能力。
UCSC团队使用了一种名为Cholla的GPU优化流体力学代码，作为其在Summit上模拟的基础。该代码由匹兹堡大学物理与天文系助理教授埃文·施耐德开发，最初旨在帮助用户更好地理解宇宙气体如何随时间演变，充当流体动力学求解器。然而，UCSC团队需要更多的物理解算器来解决暗物质项目，因此维拉瑟诺在UCSC的博士论文中花了三年时间将其整合到Cholla中。
维拉瑟诺表示：“基本上，我必须通过添加一些物理学来扩展Cholla：引力物理学、暗物质物理学、宇宙膨胀物理学、气体化学性质的物理学以及氢和氦的化学性质。”“宇宙中的气体是如何被辐射加热的？这将如何影响气体的分布？这些物理学对于进行这些宇宙学流体动力学模拟是必不可少的。”
在这个过程中，维拉瑟诺组装了一个最完整的模拟代码来模拟宇宙。以往，天体物理学家通常必须选择在模拟中包含哪些参数。现在，结合Summit的计算能力，他们有了更多的物理参数可供使用。
罗伯逊表示：“布鲁诺完成了一件研究人员多年来一直想做的事情，实际上只有OLCF的超级计算机系统才能实现：以多种方式显著改变宇宙的物理性质。”“这是向前迈出的一大步——能够将物理学联系起来，并以一种可以直接与观测结果进行比较的方式做到这一点。”
“这在以前是不可能的。从计算挑战的角度来看，这是一个数量级，超出了以往的水平。”
施耐德建议维拉瑟诺扩展Cholla的工作，她认为他的补充将是“至关重要的”，因为她准备在新的百亿亿级前沿超级计算机上为Cholla进行自己的模拟，该超级计算机与Summit一起安置在OLCF中，OLCF是ORNL的能源部科学办公室用户设施。她正在通过前沿加速应用准备中心项目领导一个模拟银河系的项目，并将使用维拉瑟诺添加的一些解算器。
施耐德表示：“天体物理学软件与其他类型的软件非常不同，因为我认为从来没有任何一种终极版本，而这当然不是Cholla的情况。”“你可以把Cholla想象成一个多功能工具，因此我们在这个多功能工具中添加的部件越多，我们可以解决的问题就越多。如果我把最初的工具仅仅当作一把折刀，那么它就像布鲁诺加了一个螺丝刀——有一整类问题我们现在可以解决，而我们无法用最初的代码来解决。随着我们不断添加越来越多的功能，我们将能够解决越来越复杂的问题。”
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希望本篇文章《科学家利用超级计算机探索暗物质》能对你有所帮助！
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