暗能量奧秘或被揭曉？美國官方啟用號稱全球最快的超級計算機(jī)Perlmutter將協(xié)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?！?/p>

啟用的Perlmutter 超級計算機(jī)，正是為了捕捉暗能量，它隸屬于美國國家能源研究科學(xué)計算中心（NERSC）。Perlmutter超級計算機(jī)基于超算公司Cray的“Shasta”平臺，具有GPU加速節(jié)點(diǎn)和CPU節(jié)點(diǎn)，其預(yù)期性能是美國國家能源研究科學(xué)計算中心當(dāng)前的旗艦級超級計算機(jī)科里（Cori）的3倍～4倍。

啟用后，它將協(xié)助科學(xué)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(xué)現(xiàn)象，而Perlmutter超級計算機(jī)還將處理有著“宇宙攝像機(jī)”之稱的暗能量光譜儀（DESI）的數(shù)據(jù)。

暗能量光譜儀（DESI）

Perlmutter超級計算機(jī)（來源：美國國家能源研究科學(xué)計算中心）

據(jù)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(fā)現(xiàn)者是美國伯克利實驗室的天體物理學(xué)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(xué)計算中心的相關(guān)設(shè)備上進(jìn)行的，他也因此獲得2011年諾貝爾物理獎，Perlmutter超級計算機(jī)的命名正是為了紀(jì)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(dāng)前主流模型來計算，假如暗物質(zhì)粒子是質(zhì)量為100GeV（約100個質(zhì)子的質(zhì)量）的超對稱粒子，那么我們周圍的暗物質(zhì)粒子密度大約是每立方米5000個，雖然暗物質(zhì)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(shè)備，也很難捕捉到這個“靈活的妖怪”。

“21世紀(jì)初物理學(xué)天空存在的兩朵烏云”

在Perlmutter超級計算機(jī)正式啟動前，暗能量光譜儀已經(jīng)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(jìn)行了為期4個月的試運(yùn)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(diào)查的總和。

據(jù)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(yuǎn)鏡上，其核心是5000個獨(dú)立的鉛筆大小的機(jī)器人，每個機(jī)器人控制一個光纖眼，它們的工作就是聯(lián)合起來捕捉光波，暗能量光譜儀的每次曝光可讓機(jī)器人捕獲多達(dá)5000個星系。

通過捕獲和研究宇宙中數(shù)千萬個星系、以及其他遙遠(yuǎn)物體的光，暗能量光譜儀將創(chuàng)建出迄今最大、最精細(xì)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(fā)言人、法國替代能源和原子能委員會的宇宙學(xué)家納塔莉·帕蘭克—德拉布維爾表示，大約10年前他們開始設(shè)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(chǔ)。

能量光譜儀(DESI）的三維運(yùn)動路線

宇宙中暗能量、暗物質(zhì)、和普通物質(zhì)的分布

1998年，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)暗能量存在的有力證據(jù)，并發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)顯示，宇宙中的暗能量高達(dá)68.3%，暗物質(zhì)則有26.8%，普通物質(zhì)只有4.9%。正因此，科學(xué)家將暗能量與暗物質(zhì)稱為“21世紀(jì)初物理學(xué)天空存在的兩朵烏云”。

其中涉及到一種紅移現(xiàn)象，它指的是當(dāng)宇宙膨脹時，星系之間的距離會變遠(yuǎn)，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(guī)律是星系越遠(yuǎn)，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(guān)星系在地圖上的詳細(xì)分布，科學(xué)家有望在暗能量的影響和性質(zhì)上產(chǎn)生新的見解。

美國能源部負(fù)責(zé)高能物理的副主任吉姆·西格里斯特表示，這是首個開始進(jìn)行科學(xué)調(diào)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(shù)據(jù)集，還將用于天體物理學(xué)領(lǐng)域。

該項目負(fù)責(zé)人伯克利實驗室的邁克爾·列維解釋說，暗能量光譜儀的獨(dú)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(fā)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(xì)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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?！?/p>

此外，憑借Perlmutter超級計算機(jī)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(yīng)該對準(zhǔn)的位置。而在此前系統(tǒng)中，研究人員尚未使用Perlmutter超級計算機(jī)，那時需要幾周乃至幾月才能完成全年數(shù)據(jù)的發(fā)布準(zhǔn)備工作，有了Perlmutter超級計算機(jī)，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(wù)。

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

在AI使用的16位和32位混合精度數(shù)學(xué)運(yùn)算方面，Perlmutter超級計算機(jī)也成為目前全球最快的系統(tǒng)、以及最大的A100賦能系統(tǒng)，其搭載6144塊英偉達(dá)A100 Tensor Core GPU，可支持物理學(xué)、氣象科學(xué)等領(lǐng)域的20多種應(yīng)用。另據(jù)悉，今年晚些時候，Perlmutter超級計算機(jī)將在美國勞倫斯伯克利國家實驗室開展第二階段的項目。

Perlmutter超級計算機(jī)的兩只“老虎翅膀”：A100和開源代碼RAPIDS

VNL用作Quantum Espresso的圖形界面

據(jù)悉，傳統(tǒng)超級計算機(jī)很難在幾納秒內(nèi)使用Quantum Espresso這種開源計算機(jī)代碼套件，來處理在模擬多個原子時所需的數(shù)學(xué)運(yùn)算。然而，如果把Quantum Espresso的高精度模擬與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，科學(xué)家們可以在更長時間內(nèi)研究更多原子。

美國國家能源研究科學(xué)計算中心的應(yīng)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(tǒng)進(jìn)行完整的原子模擬，但現(xiàn)在科學(xué)家們計劃用Perlmutter超級計算機(jī)來進(jìn)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(dá)A100中的Tensor Core可在這些方面發(fā)揮相應(yīng)作用，A100不僅能加速用于模擬的雙精度浮點(diǎn)數(shù)學(xué)運(yùn)算，還能加速深度學(xué)習(xí)所需的混合精度計算。

另外，英偉達(dá)開源代碼RAPIDS也將加快美國國家能源研究科學(xué)計算中心的Python程序員團(tuán)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(jī)網(wǎng)絡(luò)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(jì)末暗能量被發(fā)現(xiàn)以來，中國的物理學(xué)家和天文學(xué)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(dāng)然，我們依然要清醒地認(rèn)識到，暗能量的本質(zhì)目前仍是未解之謎，需要全世界的科學(xué)家繼續(xù)努力去揭開謎團(tuán)?！?/p>