创建多个宇宙来看看它们如何运行可能对科学家来说很有吸引力，但这显然是不可能的。也就是说，只要你需要物理宇宙。如果你可以使用虚拟的，还有更多的选择。

用百亿亿次计算机绘制夜空图

宇宙学家正在开发设计用于在百亿亿次计算机上运行的宇宙计算机模拟。这些模型利用这些超级计算机来提供对我们宇宙的过去和现在的新见解。

科学家们正在开发这些模拟，以帮助他们探索物理学中一些最大的问题。宇宙学家知道暗物质约占宇宙质量的85%。

然而，他们仍在努力了解它如何影响宇宙本身的结构。超新星发出的光帮助我们了解宇宙每年都在以更快的速度膨胀。但导致这种加速膨胀的“暗能量”仍然是一个谜。

模拟使用绘制当前天空地图的望远镜观测数据来测试有关宇宙如何演化的各种假设。美国能源部科学办公室支持许多获取大量数据的望远镜。来自亚利桑那州暗能量光谱仪的第一批数据仅包含200万个天体的信息。当维拉·C·鲁宾天文台的传统时空巡天(LSST)相机开始收集数据时，它将在10年内每晚拍摄数百张图像。

宇宙学家利用这些数据创建了巨大的天空地图，其范围远远超出了我们在地球上所能看到的范围。这些“天空巡天”可以帮助我们回答有关暗能量、暗物质和其他宇宙现象的问题。模拟还可以帮助科学家发现观察天空的最佳策略——观察地点、频率和深度。

除了分析当前的观测结果之外，宇宙学家还开发了模拟，使他们能够创建同一宇宙的许多不同版本。每个版本都基于关于宇宙如何演化的不同假设。通过将这些版本与基于观察的地图进行比较，科学家可以看出哪些假设可能最接近现实。

ExaSky项目专注于开发这些在百亿亿次计算机上运行的模拟。百亿亿次计算机每秒可以进行十亿次浮点运算(一种计算形式)。相比之下，世界上每个做数学题的人需要连续五年才能手工完成类似数量的计算。

橡树岭领导计算设施(美国能源部科学办公室用户设施)的Frontier是第一台于2022年5月上线的百亿亿级计算机。下一台计算机是阿贡领导计算设施(另一个用户设施)的Aurora，即将推出。

这些计算机具有处理模拟产生的大量计算和数据的性能和内存。除了为用户设施提供支持外，科学办公室还通过百亿亿次级计算项目和通过高级计算计划进行科学发现来支持ExaSky。

幸运的是，ExaSky的科学家们并不是从零开始。该项目利用了为之前的模拟提供支持的两组主要计算机代码。这些代码模拟了数十亿个星系如何在科学家所谓的宇宙网中形成和排列。这些程序包括有关单个星系的结构和物理的参数，以及它们如何通过引力与自身和暗物质相互作用。

ExaSky项目的科学家更新了这些代码，以充分利用百亿亿次计算机的功能。除了像典型笔记本电脑一样的中央处理单元(CPU)之外，百亿亿级计算机还使用图形处理单元(GPU)(类似于用于视频游戏图形的图形处理单元)进行处理。适应这种不同形式的硬件通常需要对代码进行大量修改。

但在百亿亿级计算机上运行这些模拟具有重大优势。这些计算机可以更快地运行大型模拟。这种速度使他们能够将解决某些问题的时间从几个月缩短到几个小时。它还将使他们能够解决以前不可能解决的新问题。

此外，ExaSky程序可以模拟各种尺度，从最小星系的大小到可观测宇宙边缘不到五分之一的距离。范围从1到1000万。

百亿亿级计算机还允许科学家开发新模型，可以描述当前模拟无法包含的过程。例如，活动星系核是星系中心发出辐射的区域。它们很可能是由超大质量黑洞造成的。

虽然这些活跃的星系核的质量比太阳大数百万倍，但形成它们的过程仍然规模太小，目前的模拟无法涵盖。ExaSky模拟将能够使用近似模型包含这些现象。

宇宙学中最大的问题和宇宙中最大的结构是人类难以理解的。科学家们使用百亿亿级计算机进行模拟，为我们宇宙的过去、现在和未来提供了见解。