构建宇宙原型

凝视夜空，凝视广阔太空中数以百万计的星系，感觉如何?寻找太阳系外的世界，或发现恒星的炽热死亡，感觉如何?

在未来几年，两台望远镜将帮助天文学家找到答案。但在此之前，杜克大学的一名研究人员一直在领导一项名为“OpenUniverse”的更广泛项目，旨在创建迄今为止最真实的预览，以了解任务开始后他们将看到什么。

在杜克大学西校区的办公室里，杜克大学物理学教授迈克尔·特罗克塞尔(MichaelTroxel)为我们带来了2025年开始运营的维拉·C·鲁宾天文台a和2027年发射的美国宇航局南希·格雷斯·罗曼太空望远镜的预览。

鲁宾天文台将使用位于智利山顶的一台8.4米巨型望远镜获取近一半天空的数据。

与此同时，美国宇航局的罗马望远镜将从距地球一百万英里的太空轨道上观察可观测宇宙的边缘，清晰地揭示暗淡而遥远的物体的细节。

通过结合望远镜的观测结果，科学家希望更好地理解长期存在的谜团，例如为什么宇宙似乎以越来越快的速度膨胀。

然而，合并这两个数据集将带来独特的技术挑战。

这是因为一旦这两台望远镜投入运行，它们将产生前所未有的海量数据，特罗克塞尔说。天文学家预计，这些仪器的使用寿命内总共将产生80PB的数据。这是美国国会图书馆数字足迹的三倍。

为了帮助研究人员为这场数据洪流做好准备，特罗克塞尔正在领导一项努力，从本质上重建这些望远镜将看到的星系，尽可能接近实际数据，以便科学家能够像对待真实数据一样探索和筛选它。

只需点击几下鼠标，他就能调出一个模拟图像，显示综合起来的所有数据所显示的一小块天空的情况。

这在太空中不算什么。十张这样的照片几乎无法覆盖满月。实际的勘测范围将比这大几万倍。尽管如此，这张照片还是包含了大约80,000个星系和其他物体。

有些恒星十分暗淡，而且距离我们十分遥远，可达200亿光年，以至于“很难从屏幕上的灰尘中分辨出来”，特罗克塞尔说道。

每一个光点或光斑都代表着一个遥远的星系。这些星系不是巨大的气体和尘埃云，而是由计算机代码构成，存在于云中的虚拟宇宙中。

特罗克塞尔说，这些图像非常逼真，甚至连专家一眼也无法分辨出它们包含的是模拟望远镜数据还是真实的数据。

特罗克塞尔说，要达到这种程度的真实度需要大量的数字运算。它涉及模拟每颗恒星和星系的光，并重建数十亿年来它们穿越太空到达望远镜的路径。

他们的解决方案是使用每秒能够运行数千万亿次计算的超级计算机。利用伊利诺伊州阿贡国家实验室现已退役的Theta集群，他们能够生成大约四百万张宇宙模拟图像，在九天内完成了普通笔记本电脑需要300年才能完成的工作。

特罗克塞尔表示，这项任务耗费了数十位专家超过5500万个CPU小时和半年多的工作时间来准备，更不用说多个宇宙学团队的约1300名研究人员的协调。

目前，他们已经发布了整个400TB软件包中的10TB子集，其余数据将在处理完毕后于今年秋天发布。

研究人员将使用模拟图像进行预演，以测试他们将来获得真实数据后将使用的新方法和算法。

在现实生活中遇到错误之前在模拟中解决问题将使他们能够在数据开始涌入时立即开始工作。