宇宙學家正在使用尖端的計算工具來揭開暗物質和暗能量的秘密，它們共同構成了宇宙的 95%。通過暗夜採礦項目和強大的 Aurora 超級電腦，科學家以前所未有的速度類比宇宙場景，測試理論並完善模型。暗物質雖然看不見，但可以通過引力效應顯現出來，而暗能量則加速了宇宙的膨脹。

此可視化首次展示了在 Aurora 上進行的科學演示運行的數據。它顯示了重子疊加在 HACC 類比的內部能量上（與氣體溫度成正比）。該類比使用 CRK-HACC 框架在 (1512 Mpc/h)³ 體積中演化出 2000 億個暗物質和重子示蹤粒子。圖片來源：Silvio Rizzi 和 HACC 團隊/阿貢國家實驗室

通過利用人工智慧和機器學習，研究人員可以有效地將類比與觀察結果進行比較，從而有可能改寫基礎物理學。

宇宙學家和天體物理學家的使命是揭開宇宙中最難以捉摸的組成部分。他們的目標是識別和研究影響宇宙演化的隱藏力量。如果這些發現得以揭曉，它們將解答長期存在的科學問題，甚至挑戰幾個世紀以來不斷完善的物理學基本定律。

在美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室，研究人員正在開發類似於高科技採礦設備的先進計算工具，以研究暗物質和暗能量的神秘性質，這是現代物理學中最大的兩個未解之謎。

阿貢物理學家兼宇宙學家薩爾曼·哈比卜（Salman Habib）表示：“暗物質和暗能量的本質尚不明確。我們知道這兩種物質存在，但我們不瞭解它們是什麼，也不瞭解支配它們存在的基本原理。”

利用超級計算機實現宇宙突破

為了幫助擴展現有理論，阿貢的科學家們正在努力繪製詳細的星空圖，將實際的宇宙觀測結果與電腦密集型宇宙類比相結合。該專案名為“暗夜星空挖掘”，是極光早期科學計劃的一部分，該計劃由阿貢領導計算設施 (ALCF) 提供支援，該設施是美國能源部科學辦公室用戶設施。

通過該計劃，ALCF 與來自全國各地的多個研究團隊合作，為阿貢新百億億億次超級計算機Aurora 的規模和架構準備了一套多樣化的代碼和軟體。

Aurora 每秒可執行超過一千萬億次（即十億億次）計算，這對於快速類比和改變大量物理強度高的宇宙場景至關重要。該團隊希望將這種能力與先進的人工智慧( AI ) 和統計方法相結合，提供對暗物質和暗能量的功能和動態的更可靠描述，以及它們如何與宇宙中星系的分佈和特性相關聯。

阿貢國家實驗室的 Aurora 百億億次級超級計算機為類比、人工智慧和數據分析研究提供了強大的功能。圖片來源：阿貢國家實驗室

未解之謎：宇宙的黑暗面

從伽利略到美國宇航局開創性的詹姆斯韋伯太空望遠鏡，人類積累了大量令人眼花繚亂的插圖和圖像，它們繼續塑造著我們對宇宙的看法。

就在科學似乎已經很好地掌握了這個可觀測宇宙的構成和機制時，暗勢力開始顯露身形，對物理學和宇宙學的既定模型造成了巨大的破壞。

事實證明，我們所看到的可見物質只佔宇宙的5%左右。科學家認為暗物質和暗能量分別佔27%和68%。

暗物質的暗示可以追溯到 20 世紀初，但更現代的印象歸功於瑞士天文學家弗里茨·茲維琪。20 世紀 30 年代，茲維琪考慮了星系團中單個星系的運動——後發座星系團包含一千多個星系，所有星系都相對靠近。僅基於引力原理，他無法理解星系團如何保持結合在一起。為了解釋這一現象，他假設存在一種看不見的“暗物質”。

隨著 20 世紀 60 年代和 70 年代對單個星系的更仔細研究，這一想法逐漸得到認可。最近使用其他探測器進行的測量，如引力透鏡（光線繞過中間品質時背景星系的圖像發生扭曲），為暗物質的存在提供了驚人的證據。

暗能量：不斷膨脹的謎團

但還是缺少了一些東西。即使加入了暗物質，當前的宇宙模型仍然不平衡。需要測量明亮的爆炸恆星——超新星，宇宙學家才能測量宇宙的膨脹程度以及膨脹速度是減慢還是加快——才能發現我們現在所說的暗能量。

很快，暗能量就加入了宇宙力的行列，成為這一驚人發現的罪魁禍首：宇宙不僅在膨脹，而且膨脹速度還在加快，這讓很多人感到驚訝。暗能量起著某種反重力的作用，在很遠的距離上以比重力更大的力量將物體拉開。

“值得注意的是，暗能量正是使大規模星系團正常形成以及以某種方式保持宇宙模型完整所需要的能量，”哈比卜解釋道。

他說，暗物質可能並不是一個如此瘋狂的構造，尤其是對於一個充滿驚人現象的宇宙來說。它神秘之處在於它既不吸收也不發射光，但我們可以通過它的引力效應“看到”它——就像黑洞一樣。

“從某種意義上說，它只是我們尚未發現的另一種粒子，就像我們知道中微子存在，但我們還沒有發現它們一樣，”哈比卜說。“但暗能量是一個非常不同的命題，因為它清楚地說明了描述引力如何運作的一個基本問題。這就是導致很多煩惱的原因。”

位於阿貢領導力計算中心的美國能源部 Aurora 等超級計算機將有助於讓人工智慧變得越來越強大。圖片來源：阿貢領導力計算中心

研究人員使用 Aurora 這樣的超級計算機來構建真實的宇宙模型，通過運行自己的虛擬宇宙來研究數百和數千種可能的情況。

虛擬宇宙是數位孿生的例子，是地球氣候或疾病傳播等複雜系統的複雜模型。科學家利用它們對系統的演變做出相當準確的預測，並將它們作為理解與這些系統內發生的意外事件（異常）相關的潛在問題的工具。正是模型中的這些不規則或不一致之處可能會讓研究人員有所發現。

目前，人們認為暗物質（無論它是什麼）不會與自身或可見物質相互作用，但它確實會像其他一切物質一樣發生引力相互作用。然而，即使是這種有限的理解仍然提出了幾種可能探測到暗物質的存在並研究其特性的場景。

如果暗物質確實存在自相互作用，那麼這種相互作用可能會改變引力動力學。例如，你可以追蹤小星系中心附近恆星的軌道，以確定其模式是否與僅通過引力所預測的模式不同。

而且由於它是動態的，研究人員可以類比它。

“如果你給我一個暗物質如何與自身相互作用的模型，我就可以把它放入我的模擬代碼中，然後就能計算出會發生什麼，”哈比卜說。“我可以在小尺度上預測質量分佈將如何變化。”

由於目前尚不存在令人信服的暗物質相互作用模型，研究人員可以多次運行不同的模型，並在此過程中改變參數。這個過程一直持續到得到一個與觀察結果緊密一致、並能提供一些關於相互作用性質的線索的模型。

哈比卜指出，這個例子只是研究宇宙模型廣闊空間的角落和縫隙的一種方式。如果使用 Aurora 的前輩（本身就是功能強大的超級計算機）來完成這一過程，則需要數年時間。但 Aurora 的百億億次計算能力，加上集成的人工智慧和統計方法，大大減少了類比次數和獲得結果所需的時間。

人工智慧和機器學習加速發現

例如，人工智慧正在推動一種名為“類比”的技術來解決逆問題，即目標是根據觀察到的結果或數據確定原因或系統屬性的問題。這項新技術試圖將類比與某些宇宙學特徵或動力學屬性的觀察和測量相匹配。直到最近，可能需要數千次類比才能探索可能解決特定問題的參數。

類比是一種強大的基於機器學習的統計方法，只需要很少量的類比就能確定最適合一組觀察結果的參數。

“因此，重點是我們可以讓這個過程變得更加高效，”哈比卜說。

這是一個巨大的優勢，特別是在類比宇宙場景時，比如宇宙的膨脹和暗能量所起的作用。

“暗能量比暗物質更微妙，”他說，“因為它沒有與之相關的小規模動力學因素。而且由於它影響著宇宙的膨脹速度，暗能量實際上正在改變宇宙在非常大的尺度上的行為方式。”

為了更好地掌握問題的嚴重性，研究人員首先必須測量宇宙的膨脹率和星系相互遠離的速度。這些計算需要開發非常大且計算成本高昂的星圖，以虛擬方式視覺化和操縱起作用的力量。

就像暗物質一樣，研究人員可以使用這種力的無限變化來類比不同的暗能量模型，改變參數直到模型開始與觀察結果一致。

其中一個軌跡模型需要回到宇宙的早期階段來測量其膨脹率，然後確定它是否隨著時間的推移而發生了變化。

“如果是這樣，它是否符合你的預期，還是有所不同？”哈比卜問道。“事實證明，差異相當微妙。但部分原因是當前的暗能量模型非常簡單。

“因此，目前，我們正試圖對模型做出越來越準確的預測，如果你發現測量結果與你的預測不一致，那麼你就知道有問題了，”他繼續說道。“它不會告訴你正確的答案是什麼，但它告訴我們，我們現有的簡單模型是不正確的。這樣我們就可以開發新的模型了。”

照亮黑暗的宇宙

如此反覆，數千次，甚至數百萬次。該團隊將利用 Aurora 巨大的計算能力對宇宙進行大規模類比，幫助推動計算宇宙學的發展，為有效發射新的望遠鏡和探測器鋪平道路。

這項研究或許能解答暗能量和暗物質的本質，並解決中微子之謎，中微子仍然是粒子物理學標準模型中一個令人困惑的部分。自從實驗揭示出中微子有三種不同種類或“味道”的證據以來，描述中微子的總品質就成了某種聖杯。每種粒子都有自己的品質。

但對哈比卜來說，這個專案帶給我們的不僅僅是這些謎題的答案。尖端技術的使用，尤其是計算技術，對我們常常無法預料的創新有著令人興奮的影響。

這項工作還肯定了我們與天空的長期關係，並通過它，對自然產生了一些理性的理解，並在過去導致了日曆和精確導航等人類成就。

“從根本上講，我們現在所做的事情只是人類與恆星、星系和其他一切事物之間悠久聯繫的延伸，”他說。“整個過程都有一種內在的美。我的意思是，看看人們看到哈勃或新詹姆斯·韋伯太空望遠鏡拍攝的圖像時有多興奮。深入宇宙的能力相當令人震驚，因為它還告訴我們很多關於我們自己在巨集觀世界中的位置的資訊。”

阿貢領導計算設施 (ALCF) 為科學家和工程師提供強大的超級計算資源，幫助推動廣泛研究領域的突破。ALCF 得到美國能源部科學辦公室通過其高級科學計算研究 (ASCR) 計劃的支援，是美國兩家致力於開放、非機密科學研究的能源部領導計算設施之一。

編譯自/ScitechDaily