60万亿个粒子
最近，一个天文学家团队发布了一组新的宇宙模拟结果。这项模拟实验共记录了近60万亿个粒子，是迄今为止产生的最大的一组高精度宇宙N体数据集。如此庞大的项目是由一个名为AbacusSummit的程序完成的。
AbacusSummit是一套大型、高精度的宇宙N体模拟系统。在物理学和天文学中，N体模拟是对粒子动力学系统的模拟，它是天体物理学中被广泛使用的工具，研究范围覆盖了从像地球-月球-太阳系统这样的少体系统的动力学，到理解宇宙大尺度结构的演化的宇宙学。
在计算物体的运动时，N体模拟需要考虑到每个物体与其他物体的相互作用，无论这些物体之间相距多远。这意味着当更多的物体被添加到模拟系统中时，相互作用的数量就会迅速增加。因此，N体模拟是一件比想象得困难得多的事。
其实，对于三个或三个以上的大质量物体，N体问题就已经不存在通解了。1687年，牛顿在他的旷世之作《原理》中阐述了万有引力和运动定律。在书中，牛顿不仅描述了一些很显而易见的内容，还涵盖了大量复杂的问题，比如太阳-地球-月亮的三体问题就位列其中。自那之后，三体问题就一直是物理学领域中最重大的挑战之一。
现代物理学家将对三体问题的解决诉诸于建立强大的数学模型，但是目前的三体计算仍然只能是简单的近似。一种常见的三体计算方法是计算在某个时间点上作用在每个物体上的总力，然后根据物体所受的合力分析每个物体。然后当时间稍微向前移动，就要重复这个过程。
在新研究中，AbacusSummit就利用这种方法模拟了在方盒状的宇宙中，大量粒子在引力的作用下会如何移动。这套模拟系统由160多个模拟组成，它涵盖了97个宇宙模型，粒子数量总计达到了约60万亿个。研究人员估计，它所含有的粒子数可能比所有其他的N体模拟的总和还要多。不过这是一个难以确定的说法，但由此可见它所进行的模拟规模有多么庞大。
研究人员表示，AbacusSummit很快就将派上用场，因为在未来的几年时间里，包括暗能量光谱仪器（DESI）、南希·格雷斯·罗曼太空望远镜和欧几里得卫星在内的几个天文巡航调查，将会绘制出具有前所未有细节的宇宙图景。
AbacusSummit包含了数百个关于引力是如何塑造宇宙中暗物质分布的模拟。这张图中展示了一个以不同比例缩放的模拟图，这些模拟描绘了宇宙的大尺度结构，比如宇宙网和巨大的星系团。| 图片来源：The AbacusSummit Team；图片设计：Lucy Reading-Ikkanda / Simons Foundation
这些大型天文任务的主要目标之一就是对宇宙和天体物理参数的估值进行改进。因此，为了应对接下来的观测，这种更高水平的模拟程序正是天文学家所需要的。在新的观测数据和模拟的帮助下，天文学家要做的将是通过比较观测结果与计算机模拟的不同参数值，对这些参数的估值进行改进。
AbacusSummit是首个具有极高的广度和保真度的模拟程序，这一切不仅要归功于AbacusSummit拥有巧妙的代码，还要归功于一个新的数值方法和它强大的计算能力。
研究团队设计了名为Abacus的代码库，可以充分利用Summit超级计算机的并行处理能力，从而可以同时运行多个计算。Summit拥有大量图形处理单元（GPU），擅长并行处理。
Abacus利用并行计算机处理技术，极大地加快了对粒子在引力作用下如何运动的计算。顺序处理（上图）会一个一个地计算每对粒子之间的引力；而并行处理（下图）会将工作划分到多个计算核心，从而能够同时计算多个粒子的相互作用。| 图片来源：Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation
使用并行处理运行N体计算需要仔细的算法设计，因为整个模拟需要大量内存来存储。这意味着Abacus不可以只为计算机的不同节点复制模拟结果，它的代码需要将每个模拟划分成网格，一个初始计算要为模拟中任意给定点上的远处粒子的效应提供一个合理的近似。然后Abacus将附近的单元分组，并将它们分开，这样计算机就可以独立地处理每一组单元，将对远处粒子的近似与对附近粒子的精确计算结合起来。
研究人员发现，对于大型模拟来说，Abacus的方法比其他N体代码库有明显改善。在其他方法中，它们会根据粒子的分布不规则地划分模拟；而AbacusSummit所采用的均匀划分能够更好地利用并行处理。此外，Abacus网格方法的规律性，使得它可以在模拟开始之前就对大量的远粒子进行近似计算。
在这样的设计下，Abacus能够在早期每秒更新Summit超级计算机的每个节点的7000万个粒子，在末期每秒更新每个节点的4500万个粒子。每个粒子代表一个质量是太阳的30亿倍的暗物质团。
研究人员表示，现如今，最先进的观测和计算的多学科融合正在让宇宙学的发展高歌猛进，未来十年或将有望成为研究宇宙历史变迁的一个非凡时代。他们编写的代码能够比以往任何时候都更快、更准确地进行模拟。他们的愿景是，未来在AbacusSummit的帮助下，将能够对特殊的新型星系巡天提供所需的模拟。
#创作团队：
编译：不二北斗
#参考来源：
https://www.simonsfoundation.org/2021/10/24/astrophysicists-reveal-largest-ever-suite-of-universe-simulations/
https://academic.oup.com/mnras/article-abstract/508/3/4017/6366248?redirectedFrom=fulltext
#图片来源：
封面图：The AbacusSummit Team