[转帖]北师大天文系宇宙中微子数值模拟获得重要进展
来源：北京师范大学官网，2017-06-07
由北京师范大学天文系张同杰教授主导的宇宙中微子数值模拟团队，运用国防科技大学研制的“天河二号”超级计算机，成功完成了3万亿粒子数的宇宙中微子和暗物质数值模拟，揭示了宇宙大爆炸1600万年之后至今约137亿年的漫长演化进程。在模拟中首次测量到了以往任何宇宙学数值模拟看不到的中微子在宇宙结构中的微分凝聚(Differential Neutrino Condensation)效应，这种效应为当今和将来的宇宙学观测开辟了一条独立测量中微子质量的道路, 在中微子质量的宇宙学限制道路上前进了一大步。该研究在2017年6月5日的Nature Astronomy(自然-天文), 1, 0143 (2017) (arXiv:1609.08968)上正式发表 (见下链接)。
中微子是自然界中最基本的粒子种类之一，号称“宇宙幽灵”。它在宇宙诞生后约1秒钟就脱离其它等离子体物质的影响，形成看不见的宇宙背景。中微子在宇宙空间中穿梭往复，是宇宙演化进程和各种天文现象的参与者和见证者。由于中微子质量小（约为电子质量的千万分之一或更低），不带电，运动速度快，目前的物理学实验和宇宙学观测都无法测定中微子的绝对质量。但中微子对宇宙早期星系和大尺度结构的形成会产生微弱却必不可少的抑制作用，后者可以通过大规模宇宙学数值模拟被间接“测量”，从而提供有关中微子质量的重要信息。这种大规模宇宙学数值模拟依赖具有强大计算和存储能力的超级计算机。在模拟中首次测量到了以往任何宇宙学数值模拟看不到的中微子在宇宙结构中的微分凝聚(Differential Neutrino Condensation)效应：中微子质量可以通过对比宇宙中含有不同中微子丰度(即本地中微子与暗物质密度比)的区域中星系的特性来测量。相对于“贫”中微子区域，在“富”中微子区域，更多的中微子被大质量暗物质晕俘获，这种效应导致暗物质晕的质量函数的扭曲，最终导致星系的特性发生变化。因此这种效应在当今和将来的宇宙学观测中开辟了一条独立测量中微子质量的道路。
2013年底，国防科技大学研制成功的当时世界上最快的“天河二号”计算机在中山大学国家超算广州中心投入运行。此后，由北京师范大学、北京大学、加拿大理论天体物理研究所、中科院高能物理研究所和国防科技大学、联合组成的宇宙中微子数值模拟团队，经过一系列技术攻关，于2015年春节前在“天河二号”上成功进行了3万亿粒子数中微子和暗物质的宇宙学数值模拟。据中科院国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究团组首席科学家陈学雷研究员介绍，该项研究比美国阿贡国家实验室的Ｍｉｒａ超级计算机进行的1.07万亿粒子数数值模拟超出两倍多，创造了新的世界纪录。运行多达3万亿粒子数中微子和暗物质的宇宙学数值模拟，它好比一架“像素”极高的“超高速摄像机”，通过上述模拟“还原”出宇宙清晰而漫长的演化“视频”，使宇宙大爆炸1600万年之后至今约137亿年的漫长演化过程得以“呈现”，为通过天文观测手段测量中微子质量带来新的契机和希望。央视等多家媒体给予了大量报道。
中国科学院高能物理研究所理论物理室主任兼中国科学院大学近代物理系主任邢志忠研究员认为，这是目前国际宇宙学领域运行粒子数最多的N体数值模拟，打开了通过天文观测手段研究宇宙中微子及其质量的新窗口，有望大大缩短人类探索宇宙起源与演化奥秘的时间进程，对基础科学、宇宙环境、地球生态、矿藏勘探等领域的科学研究将起到积极的推动作用。
随着中国和欧美日各国对中微子各种参数的进一步精确测定，科学家们正逐步揭开中微子这一“宇宙幽灵”的神秘面纱。张同杰教授团队正在计划借助于“天河二号”超级计算机运行比3万亿粒子数更大规模的宇宙中微子数值模拟，有望在宇宙中微子质量研究的国际竞赛中继续进一步领先，最终在中微子质量和顺序研究上取得更新更大的突破，从而促进天文学、天体物理学、宇宙学、粒子物理学及相关科学的进一步发展。
该研究成果第一作者于浩然是北京师范大学天文系博士、北京大学和加拿大理论天体物理研究所博士后；张同杰教授为通讯作者。
[1]文章在Nature主页链接: https://www.nature.com/articles/s41550-017-0143
[2]Springer Nature Sharing (共享链接): http://rdcu.be/tfyp
（北京师范大学天文系）
