天文学家可以利用合成宇宙来解开暗物质之谜

（左）鲁宾天文台模拟宇宙的样子（右）罗马太空望远镜模拟宇宙的外观（图片来源：uux.cn/J.Chiang（SLAC），C.Hirata（OSU）和美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心）

（神秘的地球uux.cn）据美国太空网（Robert Lea）：科学家们已经使用超级计算机创建了一个“合成宇宙”，这将有助于预测下一代超级望远镜在睁开眼睛看到宇宙时会看到什么。

这些望远镜都将是“暗宇宙”侦探，因为它们将调查宇宙学中两个最紧迫的谜团：暗能量和暗物质，有时统称为“暗宇宙。”值得注意的是，这一消息是在耗资100亿美元的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）于7月12日庆祝两年来取得科学成果之际发布的。JWST对天文学产生了巨大的影响，研究人员仍在努力了解它所看到的一些令人惊讶的事情。

当美国国家航空航天局的南希·格雷斯·罗马太空望远镜和维拉·C·鲁宾天文台开始探索宇宙时，新生成的合成宇宙应该有助于科学家避免至少一些同样令人惊讶的元素，尽管这些望远镜无疑仍将揭示一些意想不到的乐趣。

这个模拟宇宙是由伊利诺伊州阿贡国家实验室的Theta超级计算机创建的，是名为OpenUniverse的更广泛项目的一部分。

模仿宇宙由近400万张模拟图像组成，这些图像描绘了将于2027年发射的Roman和目前正在智利北部Cerro Pachón山山顶建造的地球鲁宾应该看到的宇宙。

管理该项目超级计算机时间的阿贡高能物理部门副主任Katrin Heitmann在一份声明中表示：“使用阿贡国家实验室现已退役的Theta机器，我们在大约九天内完成了在笔记本电脑上需要大约300年才能完成的任务。”。“这些结果将塑造Roman和Rubin未来照亮暗物质和暗能量的尝试，同时为其他科学家提供他们能够使用望远镜数据探索的事物类型的预览。”

尽管是非常不同的天文台，但距离地球约100万英里的Roman和位于智利北部干燥晴朗大气中高海拔地区的Rubin都将调查暗能量的奥秘。

“暗能量”是驱动宇宙不断加速膨胀的神秘力量的占位符；这种扩张的性质本身仍然是个谜。事实证明，这种物质对科学家来说很麻烦，因为暗能量主导着宇宙，约占宇宙总物质能量预算的68%至70%。

OpenUniverse模拟可以帮助科学家更好地了解当Roman和Rubin开始提供图像时他们将看到的暗能量特征。这可能意味着，即使是微弱的暗能量指纹，也可能在一开始就产生重要的科学成果。

“OpenUniverse让我们能够校准我们对这些望远镜所能发现的东西的期望，”帮助创建模拟的国家加速器实验室的科学家Jim Chiang在声明中说。“这给了我们一个机会来锻炼我们的处理管道，更好地理解我们的分析代码，并准确地解释结果，这样我们就可以在真正的数据开始输入后立即准备使用它。”

来自OpenUniverse项目的模拟图像，显示了罗马太空望远镜在向宇宙睁开眼睛时会看到什么（图片来源：uux.cn/C.Hirata和K.Cao（OSU）以及美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心）

Roman和Rubin也将对理解暗物质产生影响，暗物质约占宇宙中剩余物质和能量的26%。这项任务对鲁宾来说尤其富有诗意，因为它是以美国天文学家维拉·鲁宾的名字命名的，她证实了星系中存在暗物质。

暗物质是有问题的，因为它既不与光也不与普通物质相互作用——或者，如果它与光相互作用，这些相互作用是如此微弱和罕见，我们无法检测到它们。这意味着暗物质不能像日常物质那样由电子、质子和中子组成。这是因为日常物质肯定会与光和自身相互作用。

天文学家只能从暗物质与引力的相互作用中推断出暗物质的存在，而引力反过来又会影响日常物质和光线的通过。

鲁宾和罗曼将寻找这些效应。罗曼以美国国家航空航天局第一位科学负责人南希·格雷斯·罗曼的名字命名，她被亲切地称为“哈勃之母”，并曾推动建造强大的太空望远镜。

鲁宾和罗曼即将进行的这项暗宇宙调查将是一项艰巨的任务。鲁宾将于2025年开始运营，将依靠有史以来建造的最大的数码相机来研究暗宇宙，而罗曼将提供比哈勃太空望远镜或JWST更广阔的宇宙视野。

事实上，即使模拟这些望远镜将看到的东西也是一项复杂的任务，需要大量的计算能力。然而，既然已经完成，OpenUniverse团队相信，好处很快就会不言而喻。

Kiessling总结道：“我们在简化这些管道并使其可用方面取得了惊人的进步。”。“现在我们希望人们开始使用模拟来了解我们可以做出哪些改进，并准备尽可能有效地使用未来的数据。”