Joel Primack：计算和存储助力物理学
DOIT云计算 12年09月05日 21:26 【原创】 作者：阿明 责任编辑：彭彦明
加州大学圣克鲁斯分校著名天体物理学教授Joel Primack是长期对宇宙的仿真模拟和可视化的研究。
Joel Primack首先介绍说，“宇宙让我们觉得非常的惊讶，我们现在通过望远镜和超级计算机让我们觉得非常的惊讶。我们看看宇宙大机构，这是我们模拟出来的，为什么这一切让我们惊奇呢，自然的问题是我们怎么知道这样的令人惊奇的故事是真实的。基本上我们做了一些预测，但是预测的结果和实际的观测数据是惊人的吻合。”
不过，如何做这种模拟的，包括学到了什么。“我们所发现宇宙的惊异情况，宇宙绝大部分都是由看不见的物质构成，有70%是暗能量组成，其实冷暗物质是我80年代提出的。冷暗物质是我们宇宙的脚手架，它们构成了宇宙的大结构。我们平时的可见物质只有0.5%的比例，设想我们整个宇宙由暗能量构成的浩瀚的汪洋，这片汪洋上面，我们所看到的只是一些大船。这些东西都是由重物质构成的，有氧气、碳、化合物等等，氢气只是一小的部分。”他介绍说道。
这个理论是基于两点，一个是暗物质，一个是暗能量，简称双暗理论。这个理论做了非常详实的预测，如果你把整个宇宙的辐射数据进行分析，大家看这个圆球，辐射是有很多的特性，在每一度里面都有很多的物质。他强调说：“我们所预测的是角度性的能量。这些是我们空间观测到的数据，我们在北极还有两个观测点。结果这些探测得到的数据证实了暗能量存在。通过宇宙大爆炸的辐射，我们模拟预测掉了，同时能够预测到所有的宇宙不同能级方面的不同情况。”
这个白色的曲线是我们预测出来的，其他都是实际观测到的数据，就是星系的分布，辐射的数据，星系的辐射情况等等。我们所指出的一点，我们做出的预测和实际观察到的物质分布状况是十分的吻合。也就是说天文观测代表了什么呢？产生的只是瞬时的图像快照。我们理论学者做的工作就是制作电影，我们要把这些快照连起来，形成融会贯通的理论。宇宙暗物质，我们发现了有很多的环，首先告诉大家宇宙暗物质的模拟，然后讲星系构成的流体动力学模拟。
银河有多么的广阔，这是我们星系的数据，而这里都是银河的暗物质环。根据理论我们是在这里，有一些卫星星系在这个里面。我们的星系在整个银河里面处于什么样的位置呢？大家想象一下，我们在看一个大尺度10亿光年，只是其中渺小的一点。Joel Primack介绍了可视化模拟，这是世界上做过最大分辨率的模拟宇宙，通过用美国国家航空航天局的超级计算机完成工作的，我们做了大量的数据。这是一个可视化的过程，但只是一小部分的模拟。大家看到的是一个暗物质环，大家看到白色的都是暗物质，这个环有很多的星云团构成，很多大的、小的。大家看这个星系在这个长条上面进行分布，当这个长条进行交错的时候，我们看到了星系的团块，整个宇宙就是这样的。我们把模拟和观测的实际数据进行了比照，真的是这样的。现在我们让大家看三维立体的图像，大家可以看到宇宙是什么样子的，我们星系是什么样子的。几年前这个视频在美国的国家地理频道上播放了。
现在我们研究宇宙的演化，怎么样演化呢？我们拍了很多的快照，把这些存储起来，就需要海量的存储，在每张快照里面，我们把每个暗物质环找出来，我们看这些暗无物质环怎么形成和合并，最后合并到这当中的暗物质环，形成一个大的环。这个大物质环形成了一个星系团。
每个这样的小点都是一个星系，这向大家展示了星系是如何形成的，之后又不断的形成团，形成团块，使得在星系周围存在大量的暗物质环。我们在大模拟做很多这样的分析。这个模拟比较简单，但是具体的分析观测数据进行比较是最费劲的工作。这是我们做的一个模拟，当中这些参数是一样的，我们看到的是40亿光年的星系。
大家看到左面这张图的暗物质，我们具体把这个星系点上去，大家可以看到星系具体是怎么样分布的。左面是真正观测到的数据，右边是我们通过宇宙模拟做出来的，大家可以看到在数据学上它们非常相似。我们必须对它们做数据学的分析和比照。怎么样做比较呢？我们现在有一个螺旋型的星系，大家可以看到银河有两大卫星系，像我们这样大的一个星系多久会出现这样的卫星系呢？我们对于这个理论进行了模拟，同时把它和多年的观测数据进行了比较。比较的结果是什么呢？这是我们所做的事情，左面是真正的宇宙和星系，右面是我们做的模拟，大家可以看到两者是非常的吻合。这是对于整体数据的总结。“我们发现大概60%的情况下面一般的星系是没有卫星的，10%的时候有三个卫星系。黑点是观测数据，红点是模拟出来的，大家可以看到最后又是非常的吻合。”
另外，Joel Primack也展示了一下对于星系做的流体动力学模拟。我们现在要跟踪这些氮气、氦气等等。这里可以看到星系是如何形成的，很多的气体延着纤长的这一条聚集起来。“下一张幻灯片展示的是什么呢？这个有颜色的部分是星系，现在星系不多，刚刚开始形成。现在看到其他的星系从它周围飞驰而过，大家可以看到这是一个螺旋形的星系。这是我们做的一个星系的模拟，这是大尺度推进到星系本身，一个是正面拍，一个是侧面拍。如果我们从望远镜里面看星系，这张是正面的照片，那张是侧面的照片。大家可以看到真正的宇宙是左面的这张和我们模拟出来的非常的相似。我们每个月从太空获得数据，不断将这些数据和我们模拟出来的数据进行比照。”
Joel Primack是理论学者，他要理解不同的照片的合并和分散等。用了模拟进行，但是必须要把每个恒星演变的情况考虑进去，因为星星会不断的变大，同时释放出很多的重物质。最后发现很多重物质是星辰，是不吸收光线的，必须考虑星辰对于光线的吸收。就用纳斯达超级计算机，Joel Primack和学生一起做了一个研究。他们做出来的正面星系情况，这是侧向的。大家可以看到所有蓝色的光已经被吸收了，大家可以看到这个蓝色的光谱被减弱了，这些能量再重新经过辐射。所以每个印象从不同的方向拍和时间拍，存储进去就是不同的模拟，Joel Primack都是做这样的分析。当然这需要很强大的计算功能。
我们通过哈勃望远镜观测到的印象，有带星辰和不带星辰的。将带有星辰的模拟和实际数据进行比照，结果发现非常的相似。这是两个不同的波长，用哈勃望远镜不同的摄像机拍的。模拟出来的宇宙和看上去非常的相似，必须要看海量的例子，看是不是这样。Joel Primack最后表示，相信随着计算和数据传输存储方面的不断突飞猛进，将令我们的研究不断的受益。
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