暗能量奧秘或被揭曉?

2021-08-17 06:13
海外星云 2021年5期
關鍵詞:計算中心暗物質超級計算機

美國官方啟用號稱全球最快的超級計算機Perlmutter將協助拼裝迄今最大的宇宙三維地圖

宇宙是在不斷膨脹的!而暗能量(Dark energy)正是推動宇宙加速膨脹的神秘力量,“暗能量在宇宙中十分稀薄,幾乎不會給地球帶來任何影響。正因此,人類很難通過在地球上建立的實驗室中‘捕捉到暗能量。”

啟用的Pedmutter超級計算機,正是為了捕捉暗能量,它隸屬于美國國家能源研究科學計算中心(NERsc)。Perlmutter超級計算機基于超算公司cray的“sha sta”平臺,具有GPu加速節點和CPu節點,其預期性能是美國國家能源研究科學計算中心當前的旗艦級超級計算機科里(cori)的3倍~4倍。

啟用后,它將協助科學家拼裝迄今為止最大的宇宙三維地圖,該地圖將揭示暗能量這一宇宙加速膨脹背后的神秘物理學現象,而Perlmutter超級計算機還將處理有著“宇宙攝像機”之稱的暗能量光譜儀(DEsI)的數據。

據悉,暗能量光譜儀由美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室管理,暗能量的主要發現者是美國伯克利實驗室的天體物理學家索爾·珀爾默特。

索爾此前的部分工作正是在美國國家能源研究科學計算中心的相關設備上進行的,他也因此獲得2011年諾貝爾物理獎,Perlmutter超級計算機的命名正是為了紀念他。在啟動儀式上,索爾也在線上致以祝賀。

暗能量之所以難以捕捉到,是因為人類根本無法感受到它的侵入。按照當前主流模型來計算,假如暗物質粒子是質量為100GeV(約100個質子的質量)的超對稱粒子,那么我們周圍的暗物質粒子密度大約是每立方米5000個,雖然暗物質粒子每時每刻都在“侵入”人類五官,但我們卻毫無感知。在此之前,即便利用地球上最靈敏的探測設備,也很難捕捉到這個“靈活的妖怪”。

“21世紀初物理學天空存在的兩朵烏云”

在Perlmutter超級計算機正式啟動前,暗能量光譜儀已經作為“開路先鋒”先行啟動,啟動后將開始為期5年的宇宙探索之旅。此前,暗能量光譜儀已進行了為期4個月的試運行,期間捕獲了400萬個星系的光譜,這超過了以往所有光譜調查的總和。

據了解,暗能量光譜儀位于美國亞利桑那州基特峰天文臺一臺直徑4米的望遠鏡上,其核心是5000個獨立的鉛筆大小的機器人,每個機器人控制一個光纖眼,它們的工作就是聯合起來捕捉光波,暗能量光譜儀的每次曝光可讓機器人捕獲多達5000個星系。

通過捕獲和研究宇宙中數千萬個星系、以及其他遙遠物體的光,暗能量光譜儀將創建出迄今最大、最精細的星系三維圖譜,并希望借此揭示暗能量的奧秘,加深人類對宇宙的理解。

該項目的共同發言人、法國替代能源和原子能委員會的宇宙學家納塔莉·帕蘭克一德拉布維爾表示,大約10年前他們開始設計該儀器,暗能量光譜儀旨在更好地了解暗能量。未來,暗能量光譜儀可讓研究人員精確地解決以下兩個問題:什么是暗能量?以及引力遵循廣義相對論定律的程度有多少?只有理解這兩個問題,人類才能具備理解宇宙的基礎。

1998年,科學家首次發現暗能量存在的有力證據,并發現這是一種推動宇宙加速膨脹的神秘力量。宇宙微波背景輻射觀測實驗得出數據顯示,宇宙中的暗能量高達68.3%,暗物質則有26.8%,普通物質只有4.9%。正因此,科學家將暗能量與暗物質稱為“21世紀初物理學天空存在的兩朵烏云”。

其中涉及到一種紅移現象,它指的是當宇宙膨脹時,星系之間的距離會變遠,這些星系的光會變成更長、更紅的光波,因此稱之為紅移。其規律是星系越遠,紅移就越大。

測量星系紅移之后,研究人員將制作一張宇宙3D地圖,通過研究相關星系在地圖上的詳細分布,科學家有望在暗能量的影響和性質上產生新的見解。

美國能源部負責高能物理的副主任吉姆·西格里斯特表示,這是首個開始進行科學調查的下一代暗能量的項目。除研究暗能量之外,暗能量光譜儀取得的數據集,還將用于天體物理學領域。

該項目負責人伯克利實驗室的邁克爾·列維解釋說,暗能量光譜儀的獨特之處在于,能測量比以往任何時候都多10倍的星系光譜,而且可以收集到110億年前天體發出的光。

對此,專家表示:“光譜巡天的最大的好處在于能為宇宙描繪出一幅前所未有的細致的三維天圖。通過這幅三維天圖,人們不僅能在宇宙尺度上了解暗能量產生的排斥力量是如何推動宇宙加速膨脹的,還能窺視這種排斥力量對于宇宙結構形成的影響過程。甚至,它還能在宇宙尺度上幫助檢驗愛因斯坦的廣義相對論正確與否。”

此外,憑借Perlmutter超級計算機的GPU速度,研究人員能及時捕捉每晚幾十次曝光,從而確定第二天晚上暗能量光譜儀應該對準的位置。而在此前系統中,研究人員尚未使用Perlmutter超級計算機,那時需要幾周乃至幾月才能完成全年數據的發布準備工作,有了Perlmutter超級計算機,能以此前20倍的速度處理上述幾十次的曝光資料,只需幾天就能完成同樣的任務。

其中,6000個英偉達A100 GPU給Perlmutter超級計算機提供了近400億億次混合精度性能,這將幫助科學家拼合宇宙三維地圖,從而去探索綠色能源的原子內的相互作用。

在A1使用的16位和32位混合精度數學運算方面,Perlmutter超級計算機也成為目前全球最快的系統、以及最大的A100賦能系統,其搭載6144塊英偉達A100 Tensor coreGPU,可支持物理學、氣象科學等領域的20多種應用。另據悉,今年晚些時候,Perlmutter超級計算機將在美國勞倫斯伯克利國家實驗室開展第二階段的項目。

Perlmutte超級計算機的兩只“老虎翅膀”A100和開源代碼RAPIDS

據悉,傳統超級計算機很難在幾納秒內使用Quantum Espresso這種開源計算機代碼套件,來處理在模擬多個原子時所需的數學運算。然而,如果把QuantumEspresso的高精度模擬與機器學習相結合,科學家們可以在更長時間內研究更多原子。

美國國家能源研究科學計算中心的應用性能專家布蘭登·庫克表示:“以前我們不可能針對電池接口這樣的大型系統進行完整的原子模擬,但現在科學家們計劃用Perlmutter超級計算機來進行這一模擬。”目前,布蘭登正在參與啟動此類項目。

其中,英偉達A100中的Tensorcore可在這些方面發揮相應作用,A100不僅能加速用于模擬的雙精度浮點數學運算,還能加速深度學習所需的混合精度計算。

另外,英偉達開源代碼RAPIDS也將加快美國國家能源研究科學計算中心的Python程序員團隊的工作速度。相比此前的CPU,它使該中心的科里(Cori)超級計算機網絡流量分析速度加快了近600倍。

在暗能量研究方面,中國也在加速快跑,專家表示:“自從20世紀末暗能量被發現以來,中國的物理學家和天文學家在暗能量的研究方面取得了很多重要成果。最具代表性的是提出了一系列具有國際影響力的暗能量模型比如全息暗能量模型、宇宙年輪暗能量模型以及精靈暗能量模型等。當然,我們依然要清醒地認識到,暗能量的本質目前仍是未解之謎,需要全世界的科學家繼續努力去揭開謎團。”

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