超級電腦模擬宇宙，揭開暗物質與暗能量的神秘面紗

宇宙學家正利用最先進的計算工具，試圖揭開暗物質與暗能量的奧秘。這兩者共同構成了宇宙的95%，卻仍是現代物理學中最大的未解之謎。透過「暗空探礦」計畫與強大的Aurora超級電腦，科學家以前所未有的速度模擬宇宙情境，測試理論並精煉模型。暗物質雖然不可見，卻能透過重力效應顯露其存在，而暗能量則加速了宇宙的擴張。結合人工智慧（AI）與機器學習，研究人員能更有效率地比對模擬結果與實際觀測資料，這可能改寫我們對基礎物理學的認知。

宇宙學家與天體物理學家的目標是找出並研究那些隱藏的力量，這些力量塑造了宇宙的演化。若能揭開這些謎團，不僅能解答長久以來的科學問題，甚至可能挑戰數百年來被視為真理的物理定律。在美國能源部（DOE）阿貢國家實驗室，研究人員正開發先進的計算工具，如同高科技的探礦裝置，用於探索暗物質與暗能量的本質。

阿貢國家實驗室的物理學家兼宇宙學家Salman Habib表示：「我們知道暗物質與暗能量的存在，但對它們的本質以及支配其存在的基本原理仍一無所知。我們目前所做的，其實是人類與星空、星系及萬物之間長期連結的延伸。深入探索宇宙的能力令人驚嘆，因為這也讓我們更瞭解自己在宇宙中的位置。」

為了擴充套件現有理論，阿貢的科學家正努力結合實際觀測資料與電腦模擬，製作詳細的宇宙地圖。這項名為「暗空探礦」的計畫，是阿貢領導計算設施（ALCF）支援的Aurora早期科學計畫的一部分。Aurora超級電腦每秒能執行超過百億億次計算，這對於快速模擬並調整多種物理密集的宇宙情境至關重要。結合AI與統計方法，研究團隊希望能更全面地描述暗物質與暗能量的功能與動態，以及它們如何與宇宙中星系的分佈與特性相連。

從伽利略到NASA的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，人類累積了大量宇宙影象，這些影象持續形塑我們對宇宙的認知。然而，當科學似乎已經掌握了可觀測宇宙的組成與機制時，暗物質與暗能量的出現卻打破了既有的物理與宇宙學模型。科學家認為，可見物質僅佔宇宙的5%，而暗物質與暗能量分別佔27%與68%。

暗物質的概念可追溯至20世紀初，但更現代的印象則歸功於瑞士天文學家Fritz Zwicky。他在1930年代研究星系團中個別星系的運動時，發現僅靠重力無法解釋這些星系如何保持在一起，因此假設存在一種「暗物質」。隨著更精確的研究與重力透鏡效應的觀測，暗物質的存在得到了更多證據支援。然而，即使加入暗物質，宇宙模型仍存在不平衡。直到科學家透過超新星爆炸測量宇宙擴張速度，才發現了暗能量。

暗能量的出現解釋了宇宙不僅在擴張，而且擴張速度正在加快的現象。它像是一種反重力，在極大距離上以比重力更強的力量推動宇宙。Habib指出：「暗能量讓大尺度星系的分佈更符合觀測結果，並在某種程度上保持了宇宙學模型的完整性。」

研究人員利用Aurora超級電腦建立真實的宇宙模型，透過執行虛擬宇宙來探索數百甚至數千種可能的情境。這些虛擬宇宙是數位孿生的例子，科學家用它們來預測系統的演化，並理解系統中異常事件的成因。目前，科學家假設暗物質不與自身或可見物質相互作用，但會透過重力影響其他物質。即便如此，仍有許多情境可以探測暗物質的存在並研究其特性。

Habib表示：「如果你給我一個暗物質如何與自身相互作用的模型，我可以將其放入模擬程式碼中，並預測小尺度上的質量分佈變化。」由於目前尚無令人信服的暗物質相互作用模型，研究人員可以反覆執行不同模型，直到找到與觀測結果相符的模型。

Aurora的超級計算能力結合AI與統計方法，大幅減少了模擬次數與所需時間。例如，AI驅動的「模擬」技術能更有效率地解決逆問題，即從觀測資料中推斷系統特性。Habib強調：「這讓我們能更高效地進行研究，尤其是在模擬宇宙擴張與暗能量作用時。」

暗能量比暗物質更為微妙，因為它沒有小尺度的動力學因素，而是影響宇宙的擴張速率。為了更好地理解暗能量，研究人員首先必須測量宇宙的擴張速率與星系遠離彼此的速度。這需要製作極大且計算成本高昂的宇宙地圖，以視覺化並操控這些力量。

Habib指出：「我們目前正嘗試對模型進行更精確的預測，如果發現觀測結果與預測不符，就意味著現有模型有問題。這不會告訴我們正確答案，但能讓我們知道需要開發新的模型。」

研究團隊將利用Aurora的強大計算能力進行大規模宇宙模擬，推動計算宇宙學的發展，並為新望遠鏡與探測器的發射做好準備。這項工作不僅可能解答暗物質與暗能量的本質，還能解決粒子物理學標準模型中關於中微子的謎團。

Habib總結道：「這項計畫不僅是為了回答這些謎題，更讓我們看到尖端技術，尤其是計算技術，帶來的創新潛力。這也再次肯定了人類與星空之間的長期連結，以及我們對自然界的理性理解。深入探索宇宙的能力令人驚嘆，因為這也讓我們更瞭解自己在宇宙中的位置。」