富岳超算揭示暗能量新面貌：物质密度如何重塑星系形成？

日本的旗舰级超级计算机“富岳”（Fugaku）在揭示动态暗能量如何塑造宇宙最大结构方面取得了突破性进展。这项研究表明，宇宙参数的细微变化可能导致与此前预测截然不同的星系形成模式。

大规模模拟挑战现有宇宙模型

千叶大学的石山友章副教授（Associate Professor Tomoaki Ishiyama）带领一个国际研究团队，利用“富岳”超级计算机的强大计算能力，开展了有史以来规模最大的宇宙学模拟之一。该研究旨在探索作为推动宇宙膨胀的神秘力量——暗能量——是否会随时间变化。这项于2025年8月4日在《物理评论D》（Physical Review D）上发表的成果，标志着在理解宇宙结构形成方面迈出了重要一步。

石山教授的团队与来自西班牙安达卢西亚天体物理研究所的弗朗西斯科·普拉达（Francisco Prada）和新墨西哥州立大学的阿纳托利·克莱平（Anatoly Klypin）等专家合作，共进行了三项独立的高分辨率模拟。每项模拟的体积都比同类先前研究扩大了八倍。根据官方研究公告，该团队正是借助日本旗舰级超级计算机“富岳”完成了这些独特且高分辨率的N体模拟。

这些模拟旨在测试动态暗能量（DDE）如何影响宇宙演化。其中一项模拟遵循标准的宇宙学框架，而另外两项则引入了随时间变化的暗能量元素，这使得研究人员能够单独分析这种潜在演变的宇宙力量所产生的影响。

惊人结果：物质密度与宇宙结构形成紧密关联

研究揭示，单独的动态暗能量对宇宙结构形成的直接影响出乎意料地微弱。然而，当团队结合近期暗能量光谱仪（DESI）观测数据所推导出的调整后宇宙学参数——特别是将物质密度增加10%时——模拟结果则变得异常显著。

研究人员解释说，更高的物质密度会产生更强的引力，从而导致大质量星系团更早、更有效地形成。基于DESI数据推导出的模型预测，在宇宙早期，大质量星系团的数量比标准模型预测多出高达70%。

这些发现与DESI在2025年3月的观测结果高度吻合。DESI的观测表明，暗能量可能并非科学家长期以来所认为的、不变的“宇宙学常数”，而是一种随着宇宙时间演化的力量。由来自70多个机构的900多名研究人员组成的DESI合作项目，发现了暗能量演化的更多证据，其统计显著性正接近关键的4.2西格玛阈值。

此外，“富岳”模拟还为重子声学振荡（Baryonic Acoustic Oscillations，BAO）提供了宝贵见解——这些是古代宇宙声波的遗迹，如今被用作宇宙距离的“标尺”。研究团队观察到这些振荡模式发生了显著的3.71%偏移，与DESI的观测结果紧密吻合。