现代宇宙学中的数值模拟技术和应用.pdf

中国科学: 物理学 力学 天文学 2013 年 第43 卷 第6 期: 687 – 707 SCIENTIA SINICA Physica, Mechanica Astronomica 自然科学基金项目进展专栏· 评述 现代宇宙学中的数值模拟技术和应用 ∗ 冯珑珑 , 朱维善 中国科学院紫金山天文台, 南京 210008; 南京大学天文与空间科学学院, 南京 210093; 教育部现代天文与天体物理重点实验室, 南京 210093 * 联系人, E-mail: fengll@ 收稿日期: 2013-01-16; 接受日期: 2013-03-26 国家自然科学基金(批准号: 摘要 宇宙尺度上物理过程的多样性和高度非线性使数值模拟成为现代宇宙学必不可少的研究手段, 它不 仅可以细致追踪宇宙结构的形成和演化历史, 同时也为观测和理论模型的检验建立了一个桥梁. 本文将总结 计算宇宙学领域技术方法的必威体育精装版发展, 包括无碰撞粒子N 体数值模拟技术, 引入重子物理的计算流体方法. 在 此基础上, 我们将针对现代宇宙学的核心科学问题, 简要综述数值模拟技术在面向下一代巡天观测, 尤其是暗 物质和暗能量探测方面的实际应用. 此外, 我们选择性地讨论了数值模拟在第一代恒星和反馈作用、宇宙中 的气体吸积和恒星形成, 以及高红移星系盘的形成研究中所发挥的作用. 因应下一代大规模巡天的开展和超 级计算技术的快速进步, 我们也展望了在未来十年计算宇宙学和相关科学可能取得的进展及发展趋势. 关键词 宇宙学, 数值模拟技术, 暗物质, 暗能量, 星系形成和演化 PACS: 78.20.Bh, 47.11.-j, 95.36.+x, 95.35.+d, 98.80.Bp doi: 10.1360/132013-33 1 引言 和化学反馈作用, 吸积和喷流过程等. 而数值模拟和 半解析模型的结合, 为理论模型的观测检验提供了 数值模拟技术是现代天体物理不可缺少的基本 基本的手段. 研究手段, 为现代宇宙学及观测检验提供了强有力 20 世纪60 年代, 数值模拟技术最早进入宇宙学 2,3 的数值试验工具. 同时日益增长的研究需求也使天 研究领域 , 受限于当时的计算机技术水平, 模拟 体物理成为超级计算机及计算技术发展的最重要推 粒子数只有几百或上千, 而目前超大规模的宇宙学 动者之一. 特别是自20 世纪90 年代以来, 计算机技 模拟已能采用数百亿, 甚至上万亿的暗物质粒子网 4 术的迅速提高极大地推动了星系和宇宙学数值模拟 格来追踪宇宙中的结构形成 . 传统的纯暗物质粒 工作的发展. 并在现代架构的超级计算平台上, 发展 子模拟, 借助密度功率谱分析等多个统计分析工具, 1 了各种高精度高分辨率的高性能并行数值算法 , 使 验证了冷暗物质模型对于解释大规模巡天观测所展 在大规模数值模拟中引入各种复杂物理过程成为可 现的宇宙大尺度结构的优越性, 建立了对暗物质晕 能, 如辐射转移过程, 恒星形成模型, 各种力学、辐射 及其子结构的密度轮廓、速度弥散以及质量函数的 引用格式: 冯珑珑, 朱维善. 现代宇宙学中的数值模拟技术和应用. 中国科学: 物理学力学天文学, 2013, 43: 687–707 Feng L L, Zhu W S. The simulation techniques and applications in modern cosmology (in Chinese). Sci Sin-Phys Mech Astron, 2013, 43: 687–7071, doi: 10.1360/132013-33 冯珑珑等: 现代宇宙学中的数值模拟技术和应用 高精度描述; 与此同时, 揭示了冷暗物质模型在小尺 求解需要巨大的内存消耗. 一种现实的解