加州大学圣克鲁斯分校的一个研究小组使用橡树岭领导计算设施的 Summit 超级计算机运行了迄今为止最完整的宇宙学模型之一，以探测暗物质的性质——宇宙的假设宇宙网络在其存在被明确理论化后大约 90年后在很大程度上仍然是一个谜。
宇宙网详细显示了模拟的其他关键组成部分，包括暗物质，气体，温度和中性氢密度。最后一个面板显示了莱曼-阿尔法森林的吸收特征。图片来源：布鲁诺·维拉塞诺/UCSC
根据大爆炸宇宙学的Lambda冷暗物质模型 - 这是许多天体物理学家同意的宇宙工作模型，为为什么它是这样提供了最合理的解释 - 宇宙中总物质的85%是暗物质。但暗物质到底是什么？
“我们知道宇宙中有很多暗物质，但我们不知道暗物质是什么，它是什么样的粒子。我们只知道它在那里是因为它的引力影响，“UCSC的前博士生，该团队论文的主要作者Bruno Villasenor说，该论文最近发表在Physics Review D上。“但是，如果我们能够限制我们看到的暗物质的性质，那么我们就可以放弃一些可能的候选者。
通过在位于能源部橡树岭国家实验室的Summit超级计算机上进行1多次高分辨率流体动力学模拟，该团队模拟了莱曼-阿尔法森林，这是一系列吸收特征，因为来自遥远的明亮物体的光称为类星体在前往地球的旅程中遇到物质。这些弥漫的宇宙气体块都以不同的速度移动，具有不同的质量和范围，形成了一个吸收线的“森林”。
然后，研究人员模拟了具有不同暗物质特性的宇宙，这些暗物质特性会影响宇宙网的结构，从而改变莱曼-阿尔法森林的波动。该团队将模拟结果与W. M. Keck天文台和欧洲南方天文台甚大望远镜观测到的实际莱曼 - 阿尔法森林的波动进行了比较，然后消除了暗物质竞争者，直到他们找到最接近的匹配。
追踪宇宙网的气体分布和一组穿过模拟框的串，沿着模拟框计算莱曼-阿尔法森林吸收特征，并用于与观测值进行比较。图片来源：Bruno Villasenor/UCSC。
因此，该团队的结果与Lambda-CDM模型的主要论点相反，即宇宙的暗物质是冷暗物质 - 因此该模型的缩写，它引用了暗物质的缓慢热速度而不是其温度。相反，这项研究的最高前景表明了相反的假设：我们可能确实生活在一个温暖的暗物质宇宙中，热速度更快。
“Lambda-CDM为天文学和宇宙学中的大量观测提供了成功的观点。但这个基础有轻微的裂缝。我们真正想做的是推动这些裂缝，看看这个基本基础是否存在问题。我们是否在坚实的基础上？“UCSC天文学和天体物理学系的项目负责人兼教授Brant Robertson说。
除了可能令人不安的关于暗物质和宇宙本身的一些长期假设之外，UCSC项目还因其计算壮举而脱颖而出。该团队完成了一套前所未有的全面模拟，这些模拟软件使用最先进的模拟软件制作，这些模拟软件解释了塑造宇宙网络结构的物理学，并利用了世界上最大的超级计算机的计算能力。
UCSC团队使用GPU优化的流体动力学代码，称为Cholla或ParaLLel Architectures上的计算流体动力学，作为其在Summit上模拟的起点。Cholla由匹兹堡大学物理与天文学系助理教授Evan Schneider开发，最初旨在帮助用户通过充当流体动力学求解器来更好地了解宇宙气体如何随时间演变。然而，UCSC团队需要更多的物理求解器来解决其暗物质项目，因此Villasenor在三年内将它们整合到Cholla中，用于他在UCSC的博士论文。
这张图说明了当你从左到右改变类星体的电离能量强度以及从下到上改变这些类星体形成的时间时，宇宙网的温度是如何变化的。这张图片是由我们在Summit上运行的另一个大型网格模拟生成的。图片来源：Bruno Villasenor/UCSC。
“基本上，我不得不通过添加一些物理学来扩展Cholla：重力物理学，暗物质物理学，膨胀宇宙物理学，气体化学性质的物理学以及氢和氦的化学性质，”维拉塞诺说。气体将如何被宇宙中的辐射加热？这将如何传播气体的分布？这些物理学对于进行这些宇宙学流体动力学模拟是必要的。
在这个过程中，Villasenor组装了用于模拟宇宙的最完整的模拟代码之一。以前，天体物理学家通常必须选择在模拟中包含哪些参数。现在，结合Summit的计算能力，他们有更多的物理参数可供使用。
“布鲁诺完成的一件事是研究人员多年来一直想做的事情，并且实际上只有OLCF的超级计算机系统才能实现：实际上以许多不同的方式极大地改变宇宙的物理学，”罗伯逊说。这是向前迈出的一大步——能够同时连接物理学，并以一种可以直接将它们与观测结果进行比较的方式进行。
“以前不可能做这样的事情。就计算挑战而言，这是几个数量级，超出了以前所做的。
Schneider为Villasenor的工作提供了扩展Cholla的建议，她说她认为他的添加将是“完全关键的”，因为她准备Cholla在新的百万兆级Frontier超级计算机上进行自己的模拟，该超级计算机与OLCF的Summit一起安置，OLCF是ORNL的DOE科学办公室用户设施。她正在通过加速应用准备计划前沿中心领导一个项目，以模拟银河系，并将使用Villasenor添加的一些求解器。
“天体物理学软件与其他类型的软件非常不同，因为我认为没有任何终极版本，而Cholla当然不是这种情况，”施耐德说。“你可以把Cholla想象成一个多功能工具，所以我们添加到多功能工具中的部分越多，我们可以解决的问题就越多。如果我将原始工具构建为一把小刀，那么就像 Bruno 添加了一把螺丝刀一样——我们现在可以找到一整类问题，而我们无法用原始代码解决。随着我们不断增加的东西，我们将能够解决越来越复杂的问题。