ASTRID模拟：追踪135亿年黑洞与星系演化

引言

在深邃的夜空中，遥远星光闪烁，诉说着几乎与时间本身一样古老的宇宙历史。NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜等仪器的新数据，正帮助天体物理学家探索包括黑洞和星系演化在内的深层宇宙奥秘。多个机构的研究人员合作，利用超级计算机完成了迄今最大的宇宙学流体动力学模拟——ASTRID，这一令人惊叹的计算运行追踪了从宇宙最早时期到现在的演化过程。

模拟规模与计算能力

ASTRID模拟从红移z=99（宇宙黎明时期）开始，一直追踪到z=0（当前时刻），覆盖了135亿年的星系结构和黑洞演化。研究团队使用了德克萨斯高级计算中心的Frontera超级计算机，模拟了1660亿个粒子，跨越体积达8.15亿光年的空间——一个巨大的虚拟宇宙实验室。

• 研究人员为每个时间步求解复杂的物理相互作用，包括引力和流体动力学，为此构建了“引力树”以高效计算跨越数十亿粒子的长程和短程引力。
• 每个模拟快照的数据量高达30TB，TACC的Ranch归档系统成功保存了这些数据。
• 该模拟在质量范围跨越七个数量级的同时，实现了最高分辨率和完整物理过程。

黑洞演化与JWST观测

ASTRID的时机恰到好处。随着JWST等科学任务不断涌入新数据——这些数据正在探测星系和黑洞形成的最早阶段——科学家们面临越来越多的疑问。JWST观测表明，早期宇宙中存在的超大质量黑洞远比先前认为的更为普遍，挑战了关于这些宇宙巨兽如何形成并快速增长的现有理论。

• 利用ASTRID模拟的巨大体积和惊人分辨率与物理真实性，研究人员可以检验JWST数据提出的问题，做出预测并理解当前的一些谜团。
• 模拟能够揭示黑洞并合最频繁的时期。即使我们看不到光或吸积过程，LISA等探测器（计划2035年发射）将能探测到早期宇宙中大多数超大质量黑洞并合事件。
• ASTRID包含了动力学摩擦模型，改进了对星系并合时黑洞逐渐沉入星系中心过程的模拟，提供了更真实的黑洞并合轨道和更准确的时间尺度估计。

引力波预测与未来探测器

ASTRID模拟还能预测引力波信号。引力波首次于2015年被LIGO和Virgo合作组直接探测到，因其能穿透阻挡光的物质，为天体物理学家提供了一种探测宇宙最遥远、最隐蔽事件（包括超大质量黑洞并合）的强大新手段。

• 研究团队利用ASTRID为LISA和脉冲星计时阵列等未来引力波探测器提供指导，预测哪些环境最可能孕育出可被探测的引力波源。
• 模拟还首次捕捉到星系并合过程中黑洞相互接近的阶段，并产生模拟的引力波信号，仿佛已经在观测真实信号。
• 此外，ASTRID为当前运行的大型巡天项目（如维拉·鲁宾天文台的时空遗产巡天LSST）做出了星系演化预测。

未来展望与超级计算机的演进

ASTRID团队计划在TACC的领导级计算设施上使用即将到来的Horizon超级计算机进行后续模拟。Horizon预计于2026年下半年投入生产，将分两阶段部署：第一阶段配备图形处理单元，第二阶段增加中央处理单元。

• 当前代码仅设计用于CPU运行，团队正在共同开发以进一步优化引力和黑洞反馈模型，使其更适合Horizon。
• 研究人员强调，超级计算机将物理定律转化为一个活生生的、不断演化的宇宙，我们可以在其中构建、观测和探索。
• 由于无法重放宇宙以研究遥远的过去，且直接观测遥远星系的分辨率有限，超级计算机帮助我们将理论与真实观测联系起来。

总结

ASTRID模拟是宇宙学领域的一项里程碑式成就。它不仅提供了从宇宙黎明至今的完整演化图景，还直接回应了JWST带来的新挑战，并为下一代引力波探测器指明了方向。通过将理论模型与超级计算结合，科学家们得以在虚拟宇宙中实验不同的黑洞种子模型，观察其后果，从而揭示可被当前和下一代望远镜或引力波探测器观测到的物理机制。这些数据已公开可用，为全球天文学家提供了宝贵的资源。

原标题：ASTRID traces 13.5 billion years of black hole and galaxy evolution。 来源：phys.org。

阅读原文