暗能量光谱仪器 (Dark Energy Spectroscopic Instrument) 的最新发现表明，存在一种新物理学的可能性，该物理学超越了当前宇宙学的标准模型。

研究团队利用实验室新研发的极光（Aurora）百亿亿次计算系统，对宇宙的演化进行了高分辨率模拟，打造了一个分析和解读近期观测成果突破的平台。

去年，暗能量光谱仪 (DESI) 发布的研究结果可能对当前有关宇宙的理论构成挑战。其首年观测数据表明，人们认为对宇宙加速膨胀负责的神秘力量——暗能量，可能并不像之前认为的那样恒定不变。

尽管研究人员仍在努力确认这些结果，但证据表明，暗能量可能会随时间发生变化。如果这一发现得到证实，将标志着我们对宇宙学的理解发生了重大转变。暗能量光谱仪器（DESI）合作项目最近在美国物理学会全球物理峰会上介绍了最新发现。

“如果暗能量光谱仪（DESI）的结果成立，那就意味着宇宙常数不是宇宙加速膨胀的起源。这将更令人兴奋，”美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的物理学家安德鲁·赫林说，该实验室是DESI的成员机构。“这意味着空间充斥着一种具有负重力的动态演化流体，这在地球上任何桌面实验中都从未观察到过。”

为了协助开展观测研究，赫林（Hearin）及其同事求助于能源部科学办公室用户设施阿贡国家实验室领导计算设施 (ALCF) 的极光百亿亿次超级计算机。他们通过对宇宙进行大规模模拟，为研究人员分析DESI数据提供了一个试验场。

“去年这个结果出来时，我们真的特别兴奋，”宇宙学家兼阿贡国家实验室高能物理部副主任卡特琳·海特曼（Katrin Heitmann）说道。“我们团队聚在一起讨论如何帮助大家从模拟的角度来审视这一问题。在将基本物理与观测或数据分析中的系统因素区分开来方面，模拟发挥着至关重要的作用。”

DESI：照亮暗能量

坐落在亚利桑那州基特峰国家天文台的暗能量光谱仪（DESI）是由美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室领导的900多名科学家参与的国际合作项目。暗能量光谱仪安装于梅耶尔望远镜上，专为光谱巡天而设计。

它并不拍摄图像，而是收集遥远星系的光谱，以确定其结构、距离和运动。在其运行的第一年里，暗能量光谱仪 (DESI) 使研究人员能够绘制出有史以来最详尽的宇宙三维地图，并追踪其过去 110 亿年来的膨胀情况。

DESI 的初步数据与宇宙学标准模型（我们对宇宙的当前理解）基本吻合，但细微的差异表明，暗能量可能会随时间发生变化。这将挑战当前关于宇宙加速的理论：宇宙常数。

1917 年，阿尔伯特·爱因斯坦在广义相对论的方程式中首次提出宇宙常数，旨在抵消引力坍缩，并支撑静态宇宙的观点。然而，大约十年后，科学家们发现宇宙正在膨胀，因此放弃了这一观点。

20世纪90年代，随着观测结果显示宇宙不仅在膨胀，而且膨胀速度越来越快，这一概念再次受到重视。尽管最简单的解释是重新引入宇宙常数，但暗能量的本质仍然是物理学中最大的谜团之一。

赫林说：“宇宙常数基本上只是大家多年来一直在使用的方程中的一个额外项。我们不知道它为什么会取这样一个特定的值，但对于这种意外的宇宙加速现象来说，这是一个非常平淡无奇的解释。”

模拟实验为宇宙探索提供试验平台

宇宙学中的一个关键挑战在于确定宇宙中的观测模式究竟是真实的，还是由于我们收集和分析数据的方式不同而产生的扭曲。模拟实验有助于研究者解决这一问题，为测试不同情形提供了一个可控环境。

阿贡国家实验室的博士后研究员吉莉安·贝尔茨-莫尔曼（Gillian Beltz-Mohrmann）表示：“由于我们无法创造一个小宇宙来进行实验，因此我们可以使用像‘极光’这样功能非常强大的计算机来测试理论，以模拟宇宙中结构的随时间增长。”

为了检验暗能量光谱仪（DESI）的结果，阿贡国家实验室的团队使用极光（Aurora）超级计算机运行了两个大规模模拟——一个假设暗能量是恒定的，另一个假设暗能量是随时间变化的。这两个模拟的初始条件相同，使研究人员能够追踪两者在发展过程中的最小差异。

赫林说：“想法是，你根据一组假设创建一个模型宇宙，然后将其与真实宇宙进行比较。如果二者非常一致，那么你会更有信心认为你的假设是正确的。但如果二者存在巨大差异，那就说明你的假设与真实宇宙不符，不能代表真实情况。”

虽然模拟无法直接证实暗能量光谱仪（Dark Energy Spectroscopic Instrument）的发现，但它们为理论和观测之间提供了关键的反馈循环。通过测试模拟中的不同测量方法，研究人员可以完善他们的分析技术，并评估观察到的模式是否可能源于系统效应，而非新物理学。

贝尔茨-莫尔曼（Beltz-Mohrmann）说：“如果观察这两个模拟结果能够让我们了解应该进行何种类型的测量来帮助我们缩小宇宙学模型的范围，那么我们就可以回到真实的DESI数据，进行同样的测量，看看它能告诉我们什么。”

借助Aurora将宇宙带入焦点

在海量数据上进行高分辨率的大型宇宙模拟运算，其规模和复杂性可能会导致运行时间过长，但有了“极光”，该团队便能迅速完成运算。

阿贡国家实验室计算科学家阿德里安·波普表示：“借助‘极光’的强大处理能力，我们能够以足够高的分辨率快速运行大规模模拟，从而对宇宙学观测的新发现作出更快响应。在早期的超级计算机上，这些模拟需要数周的计算时间，但在‘极光’上，每次模拟仅需两天。”

实现高分辨率对本研究至关重要，海特曼解释道：“极光非常重要，因为要检测这些细微差别，我们的模拟需要极高的分辨率。如果没有达到这一分辨率水平，细节就会变得模糊不清。这就像摘掉眼镜，试图辨认一个模糊的人影。”

为了进一步加速工作，该团队采用了一种称为即时分析的方法，使他们能够在生成模拟数据的同时对其进行处理。这种方法消除了模拟数据存储和后期处理中的瓶颈，利用了Aurora的强大功能来更快地提取见解并实时改进模拟。

贝尔茨-莫尔曼（Beltz-Mohrmann）说：“这对模拟结果充分展示了我们的能力，即我们能够立刻将从像DESI这样的合作项目中获得的最新结果用于运行模拟，然后观察它的样子。”

虽然DESI的发现仍在接受审查，但该团队的模拟结果为改进分析方法和探索解释数据的新途径提供了宝贵的工具。为了开展更多研究，该团队已公开模拟数据。

赫林说：“这是该领域新一代模拟。”“它实质上为科学界提供了一个试验台，用于尝试检验用以区分这两种宇宙模型的想法。这些模拟有助于我们深入了解如何利用暗能量光谱仪器（DESI）数据来确定这两种相互竞争的暗能量模型中哪一个是真实的。”

参考文献：《利用发现模拟揭示暗能量的物理本质》，作者：吉莉安·D.贝尔茨-莫尔曼、阿德里安·波普、亚历克斯·阿拉尔孔、迈克尔·比尔曼、尼古拉斯·弗龙蒂埃、安德鲁·P.赫林、卡特琳·海特曼、萨拉·奥尔特加-马丁内斯、艾伦·皮尔、埃斯特万·兰赫尔、托马斯·厄拉姆和埃尼娅·哈卡伊，2025年3月7日，arXiv。数字对象标识符：10.48550/arXiv.2503.05947

能源部科学办公室为 ESI 提供了支持。包括海特曼 (Heitmann)、赫林 (Hearin)、贝尔茨-莫尔曼 (Beltz-Mohrmann)、波普 (Pope)、亚历克斯·阿拉尔孔 (Alex Alarcon)、迈克尔·比尔曼 (Michael Buehlmann)、尼古拉斯·弗龙蒂耶 (Nicholas Frontiere)、萨拉·奥特加-马丁内斯 (Sara Ortega-Martinez)、艾伦·皮尔 (Alan Pearl)、埃斯特万·兰赫尔 (Esteban Rangel)、托马斯·尤拉姆 (Thomas Uram) 和埃尼娅·哈卡伊 (Enia Xhakaj) 在内的阿贡团队在阿尔贡国家实验室 (Argonne National Laboratory Computing Facility) 极光早期科学计划 (Aurora Early Science Program) 和能源部百亿亿次计算项目 (Exascale Computing Project) 的支持下进行了模拟。此外，他们的工作还得到了能源部通过先进计算进行科学发现 (Scientific Discovery through Advanced Computing，SciDAC-5) 项目和美国国家航空航天局 (National Aeronautics and Space Administration) “开放宇宙”(OpenUniverse) 项目的部分支持。

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