想象一下，如果你被要求解决一个复杂的代数问题，其中95%是变量，只有5%是已知值。这可能是一个粗略的比喻，但它相当准确地描绘了现代宇宙学家所面临的任务。主流观点认为，宇宙主要由暗物质和暗能量组成，这两种神秘的实体从未被直接观测或测量过，尽管宇宙学计算 insist 它们是真实存在的。我们可以看到它们造成的感知效应，但我们看不到它们本身——因此，我们也看不到我们自己宇宙的真实结构。
因此，我们构建模型。下个月，世界上第三快的超级计算机——名为Mira——将完成其新升级软件的测试，并开始在阿贡国家实验室进行有史以来最大的宇宙学模拟。这些模拟规模宏大，将吸收最新一代高保真天体巡天数据的大量信息，并将其整合到比以往任何时候都更大、更高分辨率、更具统计学准确性的宇宙模型中。完成后，科学家们应该能获得一些令人惊叹的高质量可视化图景，展示连接我们所理解的宇宙的所谓“宇宙网”。他们还将拥有宇宙学家们见过的最好的宇宙统计模型。
这很酷，但我们为什么需要这样做？
主要是为了将最新的天体巡天数据转化为有意义的东西。科学家们希望这些模型能够回答一些关于暗物质、暗能量以及宇宙整体结构紧迫的问题。特别是暗能量的问题令人费解，据称它正在驱动宇宙的加速膨胀——实际上，我们对它的了解也仅此而已。
“‘暗能量’仅仅是一个技术术语，意思是‘我们不知道发生了什么’。”“暗能量令人困惑，因为宇宙不仅仅是在膨胀——我们早就知道了——而且膨胀还在加速，这是非常出乎意料的，”阿贡国家实验室物理学家、阿贡多拍弗勒天空模拟项目首席研究员 Salman Habib 说。“这种加速的原因就是人们所说的‘暗能量’，但那仅仅是一个技术术语，意思是‘我们不知道发生了什么’。”
这些模拟旨在阐明我们周围发生的这种膨胀。但同样重要的是，它们也旨在明确界定到底发生了什么。关于暗能量有许多理论；它可能是一种我们尚未发现的新型宇宙场，或者是一种我们尚未理解的大尺度引力特性。它可能是广义相对论的某种我们未曾想到的变体。最新一批高分辨率天体巡天数据应该能够让阿贡团队模拟暗能量对宇宙的非常微妙的影响，从而更深入地理解暗能量本身的性质。这反过来应该有助于宇宙学家排除可能的解释——甚至是一整类解释——以便他们能够逐渐逼近一个更完美的宇宙运作理论。
但宇宙是无限的。你们如何模拟整个宇宙？
我们不模拟，因为我们不能。我们无法真正定义宇宙的边界，而计算机模型本质上需要一组约束。但由于计算能力的飞跃和天体巡天数据的不断进步，我们可以模拟越来越大的宇宙区域，并从这些越来越大、分辨率越来越高的模拟中推断出关于更广阔宇宙的信息。这很重要。
阿贡国家实验室的另一位研究员，Mira模拟项目的合作研究员Katrin Heitmann说，像Mira上运行的模拟以前也进行过，“但我们现在正进入一个必须越来越精确的阶段。”来自最先进的天体巡天仪器——例如上个月刚刚投入使用 暗能量相机——的下一代数据将包含更多数据（反映数十亿个观测到的星系）和更少的固有统计误差。因此，虽然之前的模拟，如精美的千禧年模拟项目，已经为宇宙物质分布提供了优秀的视觉化和模型，但这些新的、更好的数据集需要新的、更好的计算架构来处理。
得益于摩尔定律，我们可以构建处理这些新数据集的架构。大约每三年，超级计算的整体计算能力就会增长约十倍。这使得阿贡这样的超级计算中心能够建造（或升级旧的）机器，其性能远远超过一两年前最尖端的技术。这个10拍弗洛普（每秒一千万亿次计算）的Mira系统就是其中一个例子，它将使阿贡能够运行有史以来最大的暗物质模拟。
这些模拟会是什么样子？
视觉上，它们会是这样的
这张可视化图来自一种名为HACC（硬件/混合加速宇宙学代码——稍后详述）的新计算架构的一些初步测试。你看到的本质上是宇宙的一个三维块，以及物质根据从各种天体巡天来源获取的数据在其中分布的方式。
“你看到的是宇宙网，”Habib说。“你可以清楚地看到这些巨大的空隙、这些细丝和这些团块。你实际看到的是物质密度。那些斑点状的部分是密度最高的地方，那里有星系。”你实际上在这里看不到星系——这是一个代表，而不是一个真实的视觉模型。最小的团块中可能根本没有星系。中等大小的团块中可能有一个或多个。最大的团块代表星系团，那里可能居住着数千个星系。
这是我们目前看到的宇宙的一帧静态画面，但Mira计划的模拟将构建更像是一部电影，展示宇宙回到数十亿年前，那时宇宙比现在密集得多——是现在的百万倍。然后，天文学家们可以以极高的细节观看这部电影，了解宇宙是如何随着时间演变的，从而观察暗物质，特别是暗能量在形成我们当前宇宙中所起的作用。而且，因为这是一个计算机模型，他们就可以摆弄这个虚拟宇宙的参数来测试他们的理论。希望Mira能证明一些理论仍然成立。至少，它应该证明一些理论不太可能。
既然每次模拟都比上一次更大更好，这次有什么特别之处？
首先，它前所未有的分辨率和细节，我们已经在前面详细描述过了。但在超级计算机建模的未来方面，HACC架构也非常重要。HACC是为这个项目从零开始开发的，并且为Mira进行了优化。但它的设计目的是也可以为其他超级计算机——以及其他超级计算机应用——进行优化，这对于这类软件来说是很少见的。
为什么？每台超级计算机的设计都有点不同，每台都有其独特的怪癖和特点。与为桌面计算机编写的程序不同，为超级计算机编写的软件通常是为特定机器编写的。如果转移到不同的机器上，它将无法最优地运行（或者根本无法运行）。因此，每次超级计算机进入下一代时，一个持续的研究项目都必须为新机器编写新软件。“在十年的代码开发过程中，你可能会经历三种不同的计算架构的出现和消失，”Habib说。“这就是HACC的魔力。”
HACC与其说神奇，不如说设计巧妙。其模块化结构意味着底层软件的一部分在所有机器上都能工作，因此将其从一台机器（或一代机器）移植到另一台机器要容易得多。另一部分是一个可插拔的软件模块，可以针对每台特定机器进行优化。这大大减少了研究人员在推进研究之前等待新代码开发的时间。当新计算机上线时，比如 橡树岭国家实验室全新的20拍弗洛普Titan，研究人员就能相对容易地快速将计算能力的飞跃应用于他们的研究。
其可定制、可优化的特性也意味着HACC可以应用于许多研究项目，而不仅仅是最初设计它的项目。它的创造者希望HACC被“破解”。Habib谈到HACC时说：“我们是一个小团队，所以我们自己无法利用这个代码所有的科学能力，我们也不一定想这样做。”他补充说：“这是一种其他团队需要编写的代码，不仅用于宇宙学，也用于其他应用。”Habib、Heitmann和他们的同事将HACC视为一种社区资源——不仅意味着他们计划与科学界自由分享他们的宇宙学研究成果，而且意味着软件本身可以潜在地被修改和适应到其他领域的任何建模应用中。
那么，这些模拟会解开黑暗宇宙的谜团吗？
不。或者至少可能性非常非常渺茫。但它将影响一些现有理论，将另一些理论送入废纸堆，并以其他方式聚焦当前的思维和未来的问题，指向这些神秘的力量。而且，这些模拟将帮助研究人员继续完善他们利用超级计算能力不断爆发来获得有意义的科学进步的工具。如果在接下来的几个月里Mira解开了暗能量的谜团，我们会感到惊讶。如果它没有显著地推动理论宇宙学领域的发展，我们也会感到惊讶。如果HACC没有帮助加速整个超级计算机科学的步伐，我们也会感到震惊。
更正： 本文早期版本错误地指出Salman Habib和Katrin Heitmann是洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究员。他们目前受雇于阿贡国家实验室。文章已更正以反映这一点。
