18天，4.2万亿个粒子，中国科学家模拟出了一个宇宙
18天，4.2万亿个粒子，中国科学家模拟出了一个宇宙
文｜《中国科学报》记者孙滔
1941年，瑞典天文学家埃里克·霍姆伯格（Erik Holmberg）完成了一项“脑洞大开”的实验。
这位天文学家意识到，引力和光的亮度都与距离成平方反比关系，那么就可以用灯泡的亮度来类比引力作用强度。他用74个灯泡和光电池，“手搓”出世界上第一台“引力模拟计算机”，让人类在85年前就“看见”了星系碰撞。
这是人类历史上最早的“模拟宇宙”尝试，那是一个没有电子计算机的年代。
来到超算时代，人们又可以发挥新的想象力。就在2026年4月23日，中国科学院国家天文台发布宇宙学模拟项目“千衍”。由中国科学家领衔的国际团队用4.2万亿个虚拟粒子，在超级计算机上连续运行18天，模拟出一个边长约120亿光年的立方体宇宙，包含了过去百亿年历史的宇宙大尺度结构的演化。
更惊人的是，他们没有刻意“设计”，却在数字世界里自然演化出宇宙中最极端、最复杂的星系团——潘多拉星系团（Abell 2744）。
埃里克·霍姆伯格的“手搓引力模拟计算机”剖面图源自其1941年论文
模拟宇宙
人们能观测星空，却不能拿宇宙做重复实验，于是天文学家想到一个办法：用计算机模拟一个宇宙。
模拟宇宙的决定性主导力量是引力，宇宙结构纷繁复杂但并非完全随机地涌现。在天文学家看来，宇宙有一种宿命感，只要最初统计上正确地设置了初始条件，引力就会让结构自然而然地涌现出来。
科学史上第一个真正意义上的宇宙学N体模拟，可以追溯到1975年。物理学家詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles）首次通过计算机模拟的方式研究了宇宙大尺度结构的形态及其演化规律。他用1500多个虚拟粒子，在膨胀的背景时空中首次证明了引力不稳定性能形成宇宙大尺度结构，开启了数十年的数值宇宙学时代。
随着计算机技术和算力的迅速提升，模拟宇宙进入了大规模的数值模拟时代，粒子数达到了万亿的量级。加上巡天结果带来的海量观测数据，宇宙学理论模型更加精确。
中国科学家此次主导的“千衍”模拟，是当今全球规模最大的超高精度宇宙学模拟之一。
他们要验证现代宇宙学的标准模型——ΛCDM模型。其中，希腊字母Λ代表宇宙常数或暗能量，CDM代表由质量大、运动缓慢的粒子构成的冷暗物质。
之所以要用虚拟暗物质粒子，是因为在ΛCDM模型中，暗物质才是宇宙的“主角”，是宇宙结构的引力骨架，主导着星系团形成。同时，暗物质仅受引力作用，因此其N体模拟的物理过程最为简单。
“千衍”模拟效果图
复现潘多拉星系团
为什么潘多拉星系团在这个研究中如此重要？如果把人们观测到的宇宙比作一片深邃的超级渔场，那么潘多拉星系团就是其中最罕见、最狂野的一头“深海巨兽”。它跨距30亿光年的空间，囊括了多个各自独立的星系团，因其过于庞大、结构过于复杂，一度被怀疑是否能够在标准模拟中自洽地产生出来。
如果能复现潘多拉星系团，那也就意味着，ΛCDM模型即使在最极端的条件下，依然能够成立。
研究者使用了4.2万亿个虚拟暗物质粒子。每一个粒子大约代表3亿个太阳的质量，这就意味着更高的分辨率以及更加可靠的统计计算结果，从而能够看清星系团内部细节，稀有天体也不再是偶然的“巧合”。
图左为“千衍”模拟的潘多拉星系团，图右为观测看到的潘多拉星系团
他们构建了一个边长约120亿光年的巨大空间，只有足够大的空间，才能产生足够多的星系团。在引力作用下，这些粒子相互牵引并交织成网状结构。
为什么要选择4.2万亿这个数字？中国科学院国家天文台副研究员李明解释道，这并非盲目追求规模，而是一场“平衡的艺术”。粒子越多，模拟的细节越精准，但耗费的算力和电费也越惊人。研究团队在科学目标、工程成本与现有超算极限之间，找到了这个最优的平衡点。
中国科学家最终筛选出851个红移与潘多拉星系团高度相近的宇宙结构，代表这些结构处于同一宇宙演化时期；其中有一个星系团的模拟构型，与詹姆斯·韦布空间望远镜对潘多拉星系团的观测结果高度吻合。
ΛCDM 标准宇宙模型经受住了检验。这就意味着，从宇宙大尺度到星系团，再到星系级别，人类的物理认知得到了验证。
巨量计算的平台
计算4.2万亿个粒子的运动，绝非易事，但也不像科幻小说中的三体问题那样几乎不可解。
科学家并没有去计算粒子两两之间的引力，而是采用更加精巧的设计，比如将大尺度的计算与小尺度的计算分割开来，再使用优化的方法加速局部细节，最后交由超算中的GPU完成高强度计算。
真正的挑战仍然在于计算规模本身。
该模拟依托中国科学院计算机网络信息中心“东方”超级计算机运行，使用了由国家天文台团队自主开发的软件PhotoNs。这项计算需要4000个节点在18天内持续协同运行，对同步性和稳定性的要求极高。参与计算的近1.6万张显卡、上千万计算单元，必须在统一节奏下推进；一旦某个节点出现异常，就可能影响整体计算进程。
中国科学院国家天文台研究员王乔介绍：“18天核心运行，绝非‘挂着等结果’，而是一个需要持续监控和干预的过程。”研究人员需要实时跟踪系统状态，确保这项万亿粒子级别的计算不中断。
为了这18天的巅峰冲刺，研究团队在幕后进行了长达10年的算法调优与软件适配。
“千衍”的首篇学术论文在英国《皇家天文学会月刊》发表。王乔和李明正是该文的通讯作者。王乔说：“这不是一个发现型主导的研究，而是打造了一个数据平台和基座，模拟数据将为中国空间站巡天望远镜（CSST）、欧洲空间局欧几里得空间望远镜（Euclid）等大型巡天项目提供重要的科学支撑。”
要知道，宇宙之浩瀚，使得人类的巡天观测如同在无垠黑暗中试图用一把特制的尺子丈量星系的分布。当科学家通过大型巡天项目绘制史上最宏大的“宇宙三维地图”时，一个本质挑战随之而来：我们难以判断手中的“尺子”是否变形，视线是否已被扭曲，甚至不知道宇宙本身的"标准尺码"是多少。
解决之道隐藏在超算的算力之中，通过从零开始“培育”出的虚拟宇宙，研究者可以预演各种物理情境，并将其与真实观测数据进行对标。
王乔进一步解释，数值模拟主要在两方面发挥关键作用。
其一，支撑巡天策略的制定。不同巡天方式观测到的宇宙存在差异，有的聚焦不同“颜色”，有的侧重不同深度或示踪天体，而数值模拟能明确观测方向、预判可观测数量，从而提升巡天效率。
其二，助力系统误差的研究与校准。宇宙学信号具有统计特性，直接观测到的信号与理论值之间会存在偏差。这类偏差需通过数值模拟方法校准至正确数值，才能真正应用于科研。