“天河”叩问暗物质：史无前例的大计算

在过去的几天里，一条科学新闻引起了国内外的关注。来自北京师范大学天文系的张教授的团队在国家超级计算中心“天河二号”模拟了宇宙从大爆炸后的1600万年到今天的137亿年的漫长演化过程。为此，记者来到位于广州大学城的超级计算中心，请超级计算中心主任袁学峰先生进行深入解读。

揭示中微子对宇宙形成的影响

导演一见面就告诉记者，张团队的计算是在春节期间完成的。事实上，许多数据仍在处理中，最终结果尚未完全公布。这是世界上前所未有的超级计算。袁学峰向我们解释说，大爆炸后至今1600万年的演化过程是在天河二号上模拟的，主要是通过中微子、暗物质和中微子与暗物质的比较来计算的。

关于中微子，袁学峰说在粒子物理的标准模型中有三种类型的中微子。1998年的中微子振荡实验表明它们的质量不是零，但是用物理实验来测量中微子的质量是非常困难的。目前，地面中微子振荡实验给出了三种中微子质量的平方方差。宇宙学观测只能评估中微子总质量的上限。2012年，中国高能研究所所长王主持的大亚湾反应堆中微子实验发现了中微子的第三种振荡模式，被国际粒子物理界誉为“开启未来中微子物理研究的大门”。江门中微子实验预计于2019年底完成并投入运行，该实验试图解决中微子研究领域的下一个热点和主要问题:中微子质量序列。到目前为止，无论是物理实验还是宇宙学观测都不能测量中微子的质量序列，也不能测量每一类中微子的绝对质量，因此中微子质量是物理学和天体物理学中亟待解决的主要问题之一。

因为宇宙中微子的速度比暗物质高，它们将通过中微子*穿梭效应在小范围内影响宇宙的结构。与纯暗物质形成的宇宙结构不同，结果表明中微子抑制小尺度结构的功率谱，不同质量的中微子也有不同的抑制作用。质量中微子的宇宙学效应要求在暗物质存在的情况下精确计算其非线性结构演化和功率谱，并且需要大量粒子的模拟来降低中微子分布的泊松噪声，实现区分不同质量中微子的宇宙学效应，这需要更高的计算机内存和计算速度。“天河二号”超级计算机可以满足这样的要求。

天河二号超级计算机是世界上最快的计算机，具有每秒5.49亿次的峰值浮点计算速度、1.4倍的内存、12.4倍的硬盘存储和16，000个节点(超过300万个英特尔计算内核)的高性能。它曾连续四次荣登国际500强组织发布的最新超级计算机500强。“天河二号”超级计算机可以克服上述计算困难，以超过世界纪录的粒子数进行宇宙学高分辨率数值模拟，从而达到区分不同中微子质量的宇宙学效应的目的。

中微子研究有望取得世界级成就

告诉记者，超级计算中心成立后不久，2013年12月成立了以北京师范大学天文系张宇宙学团队为组长的加拿大理论天体物理研究所Ue-Li Pen宇宙学团队。北京大学、博士后联合团队，中国科学院高能物理研究所邢治中中微子理论研究团队，国防科技大学计算机科学团队(、杜、等。)共同提出了一个宇宙学研究小组，旨在通过使用精确的宇宙学数值模拟来研究宇宙中微子。该小组利用宇宙大尺度结构的N体数值模拟程序和中国的超级计算机，对世界上最大的3万亿暗物质和中微子粒子进行了数值模拟，希望在国际中微子质量序列及其绝对质量限制方面取得突破，与未来的宇宙学观测数据相协调。

袁学峰表示，在2015年大学寒假期间，宇宙学研究团队使用了“天河二号”整个系统的14000个节点，运行了50多个小时，成功运行了含有中微子和暗物质的3万亿粒子的宇宙学数值模拟，远远超过了此前1.5万亿粒子的世界纪录，成为世界上粒子数量最多的N体数值模拟。在天河二号上，该团队模拟了宇宙从大爆炸后的1600万年到今天的137亿年的漫长演化，产生了比PB还大的科学数据。在计算过程中，天河二号的14000个节点连续10小时不间断地进行宇宙中微子计算，再次证明了天河二号的稳定性和可靠性。

目前正在对计算结果进行分析，预计模拟结果可用于揭示中微子在不久的将来在宇宙演化中的作用的详细细节，并进一步在宇宙中微子的质量序列及其绝对质量极限方面取得重要进展。这将使中国科学家在发现中微子的第三种振荡模式后，在中微子研究方面再次取得世界级的成果，这对中国宇宙学数值模拟研究和天河二号超级计算机的科学应用具有划时代的意义。

袁学峰还特别指出，由于留在天河二号的中微子数值模拟数据在世界上是独一无二的，科研用户还可以根据这一数据开展一系列其他关于中微子对宇宙结构形成影响的科学研究，这些科学成果将对国际宇宙学界产生影响。广州超级计算中心将借此机会启动空间科学领域的大数据融合、存储、管理、分析和应用服务。

开启云计算时代

天河二号集高性能计算、大数据分析和云计算于一体，是一个具有鲜明“云超级计算”特征和资源性能优势的超级计算机系统。广州超级计算中心作为国家信息化建设的重要基础设施和公共服务平台，有五大使命:一是加快学科交叉和信息化发展，促进原创创新；二是加快产业转型和整合，培育新兴产业。三是聚集世界级智慧，培养复合型人才。四是支持智慧城市建设，创建信息社会。五是探索新的市场化科技服务体系。对包含中微子和暗物质的3万亿粒子的宇宙学数值模拟的成功完成，只是天河二号在大科学领域的另一个典型应用实例。广州超级计算中心全力推进“*、产业、研究和应用”的深度融合。努力突破学科和行业壁垒，积极打造云超级计算创新生态系统，加快建设六大云超级计算应用服务平台，即材料科学与工程计算平台、生物计算与个性化医疗平台、设备全数字化设计制造平台、能源及相关技术数字化设计平台、天文地球科学与环境工程平台、智慧城市大数据和云计算平台。同时，我们将积极推进高性能计算、大数据和云计算应用与多学科、多行业领域的深度集成，以及应用成果转化。我们将大力提升自主创新能力，大胆探索高性能计算与云平台相结合的市场化服务模式，加强互联网技术在云超级计算服务中的深度和广度应用，打造新业态，大力培育用户互联网客户创造社区，开创天河二号云超级计算平台“全民创业创新”的新局面，努力打造智能产品涌现的“梦想工场”，努力开创“互联网+经济”的云超级计算时代。

(广州，5月17日，科技日报)

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