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【科学讲座】王杰:超级计算机里的星系宇宙学

2017年11月9日晚7点,中国科学院大学科学前沿进展名家系列讲座Ⅲ第100讲在玉泉路校区阶一四教室如期举行。主讲人是中国科学院国家天文台研究员、博士生导师、国家青年千人计划入选者王杰教授。讲座的主题是“超级计算机里的星系宇宙学”。王老师从什么是星系宇宙学开始讲起,通过讲解数据模拟的具体方法和应用范围,介绍了超级计算机在星系宇宙中的应用。

讲座开始后,王老师首先强调了星系宇宙学的研究范围,“不仅仅局限于空间维度,还包括时间维度。可见的宇宙由过去和现在所有的星系组成。”王老师指出,如今天文学家已经对宇宙的组成有了相当精确的了解,百分之七十的暗能量,百分之二十五的暗物质以及百分之五的普通粒子,但是标准宇宙模型中仍然存在很多的漏洞。自从八十年代计算机技术发展以来,星系宇宙学也实现了质的飞跃,开始形成观测、理论和数据拟合三足鼎立的状态。

王老师向我们展示了计算机模拟的驾驶宇宙飞船在宇宙间翱翔所看到的不同的星系动画,告诉我们超级计算机不仅可以模拟出宇宙大尺度星系的分布,还可以利用数值模拟来研究星系的“一生”。不同于观测天文学只能观测到恒星当下的状态,数值模拟可以从宇宙的大爆炸、恒星的诞生之初一直模拟到恒星的死亡。

宇宙质量的空间分布在大尺度上是均匀的,但仍有微小的涨落,而引力的作用会将涨落放大。“就像一间教室里坐满了人,虽然位置大体上是均匀的,但是仍有两个人挨得很近,并且相互吸引使得他们挨得更近了。”王老师幽默的比喻让同学对宇宙的质量分布有了更形象的了解。将宇宙分布涨落放在N体系统中,用泊松状态方程使其运动,这就构成了宇宙原初模拟条件。王老师给我们展示了计算机模拟的仅有引力存在的宇宙的分布示意图,提出数值模拟对天文学的发展做出了巨大贡献。正是因为以冷暗物质的模型为标准模型进行的数据模拟与观测结果十分吻合,才排除了中微子为暗物质的猜想。

接下来,王老师具体分析了宇宙中天体的形成以及演化。宇宙中的热气体在势阱中慢慢辐射能量,变成冷气体,经过一系列复杂的能量和物质的交换,缓慢演化形成原初的恒星。恒星晚期又变成超新星,将能量辐射出去。

讲座的最后,王老师着重强调了在计算机技术呈指数发展的新时期,计算机星系宇宙学的发展也日新月异。目前发展重点依然是利用已获得的数据来拟合宇宙原初条件,不断完善和精确标准宇宙模型。

在最后的讲座提问环节,同学们踊跃提问,有同学问到在建立模型中会遇到哪些困难。王老师给同学们讲了第一代利用计算机研究星系宇宙学的中国天文学家们因为处理数值的技术短缺,而自己动手编写了一套傅里叶变换的程序的故事。还有同学提问在建立模型和数据模拟上的时间分配等问题,王老师一一进行了耐心的解答。在同学们热烈的掌声中,本次讲座拉下了帷幕。   (文/张璐 图/张璐 来源 国科大记者团)

王老师为同学讲座

主讲人介绍:

    2008年慕尼黑大学获得博士学位2013年获国家青年千人计划,国家天文台研究员,博士生导师。研究方向:计算宇宙学

延伸阅读:

    “科学前沿进展名家系列讲座”创办于2014年9月,是中国科学院大学为本科生开设的必修课程,同时欢迎研究生与教职工参加,由中国科学院大学本科部主办,讲座召集人为周琪院士。该课程按照数学、物理、化学、生物、材料、计算机、天文、电子信息工程等专业,邀请相关科学领域的院士等知名专家开展专题讲座。通过讲述科学故事、介绍相关学科方向的科学前沿进展,让学生在本科阶段了解不同学科的科研方向与主要进展,拓宽学生的学术视野,为他们最终选择学科专业与专业方向提供丰富的判断依据。