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宇宙大爆炸至今的發展結構模型
作者：駐法國代表處科技組　現職：駐法國代表處科技組
文章來源：法國國家科學研究中心(CNRS)新聞稿
發佈時間：2012.07.02
Première modélisation de la structuration de tout l’Univers observable du Big Bang jusqu’à aujourd’hui

由 Jean-Michel Alimi 領導的法國國家科學研究中心 (CNRS) 宇宙理論研究室 (LUTH) 研究團隊，首度成功計算出宇宙大爆炸至今以來的發展結構模型。這個模型可以觀察 5 千 5 百億顆的粒子，是「暗黑能量宇宙模擬」計畫 (DEUS) 三階段中的第一階段，由法國原子能暨替代性能源署 (CEA) 國家大型密集計算設備中心 (GENCI) 的「居里」超級計算機 (CURIE) 負責執行。已經執行以及預計在 2012 年 5 月底完成的模擬，將可為觀察及繪製宇宙的大型計畫帶來莫大的幫助，讓科學界更加了解暗黑能量的本質與其對宇宙結構的影響。暗黑能量是暗黑物質與星系分佈的關鍵。

宇宙理論研究室宇宙學團隊的 6 名研究員 (Jean-Michel Alimi、Pier-Stefano Corasaniti、Yann Rasera、Irène Balmes、Vincent Bouillot、Vincent Reverdy) 在經過多年的研究後，首度成功算出宇宙大爆炸至今以來的發展結構模型。這個模型跟其他兩個宇宙模型 (註ㄧ) 的不同之處在於它將暗黑能量這種神祕的組成份子考慮進去，以便解釋宇宙加速擴張的現象。暗黑能量對宇宙結構的影響為何？如何從宇宙結構去推演這種能量的本質？這就是暗黑能量宇宙模擬計畫亟欲解答的兩大問題。

剛剛完成的標準宇宙模擬模型已經可以測量質量比太陽大 100 兆的星系團數量，目前測得的數量已超過 1 億 4400 萬。第一個此類型的星系團出現在宇宙誕生 20 億年之後；目前能在宇宙中觀察到的最大星系團，其質量比太陽重 1.5 京倍。計算得出的數據也能推斷暗黑物質在宇宙的變化情況，這是 WMAP 與 Planck 兩顆衛星觀察大爆炸後的宇宙輻射變化而計算出來的結果。這回則是由完整的宇宙歷史模擬中得出這些觀察結果，其精細程度與規模之大 (從幾百萬分之一到整個宇宙) 是前所未有的，清楚展現暗黑物質中的原始氣體變動痕跡 (重子聲波震盪，BAO)。這些計算結果已經引起整個太空科學界的關注。

這項研究的成功必須歸功於國家大型密集計算設備中心提供的超級計算機「居里」。該超級計算機具備了 9 萬 2 千個以上的計算單位，每秒能進行兩千兆次的浮點運算 (2 PFlop/s)。「居里」超級計算機由布爾電子公司 (BULL) 設計、法國原子能暨替代性能源署開發，安置在位於 Essone 省 Bruyère-le-Châtel 鎮上的超大型計算中心 (TGCC) 內，是全球五大超級電腦之ㄧ。

暗黑能量宇宙模擬計畫的成就已經大大超越所有國際團隊在全球大型計算中心展現的計算能力。所有的研究必須經過 3 千萬小時 (將近 3500 年) 的分析計算，幾乎用盡「居里」超級計算機所有的計算單位，處理容量超過 150 千兆位元組 (PB) 的數據 (相當於 3 千萬片 DVD)，不過藉由先進創新的篩選程序，研究人員只需保存 1 千兆位元組的資料。

從現在開始，科學家終於可以利用具有宇宙常數的標準宇宙模型來瀏覽 9 百億光年遠的暗黑物質以及星系 (註二)、觀察它們在整個宇宙發展過程中的演變。

三個呈現宇宙大爆炸至今之發展的宇宙模型，預計於五月底進行編程，以期讓科學家更加理解暗黑能量對宇宙結構的影響，進而得以編撰ㄧ部記載宇宙各項細節的「目錄本」，以便應用在大型研究計畫中，例如歐洲太空總署 (ESA) 剛剛審查核定的歐幾里得太空計畫 (EUCLID) (註三)。

(註ㄧ) 第一個模型為宇宙協和模型，認為宇宙常數是存在的。第二個模型顯示宇宙充滿了暗黑能量。第三個模型考慮到一種名為「魅影」的加速物質，模擬大範圍萬有引力的變化。

(註二) 在年齡約 137 億年的宇宙中，由於宇宙不斷膨脹，使得光線必須跑超過 137 億光年才能抵達我們的位置。這個距離與我們使用哪一種宇宙模型有關。在此，由於宇宙在光線飛行的同時仍繼續擴大，使得光線必須飛行 450 億光年才能抵達。

(註三) 歐幾里得太空計畫為歐洲太空總署的太空觀察計畫 (2015-2025 年)，主要研究宇宙加速膨脹的原因。

資料來源：法國國家科學研究中心 (CNRS) 新聞稿，2012 年 4 月 12 日
網址：http://www2.cnrs.fr/presse/communique/2561.htm