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利用N体模拟研究银河系与仙女座星系的并合
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作者 周宇凡 李志远 常江 《天文学进展》 CSCD 北大核心 2023年第4期476-494,共19页
银河系的邻居仙女座星系(M31)是本星系群中恒星质量最大的成员。观测表明,M31正与银河系相互接近,且两者极有可能在未来发生并合。N体模拟作为研究星系并合的有力工具,在过去半个世纪内取得了长足的发展,也在有关银河系与M31并合的定量... 银河系的邻居仙女座星系(M31)是本星系群中恒星质量最大的成员。观测表明,M31正与银河系相互接近,且两者极有可能在未来发生并合。N体模拟作为研究星系并合的有力工具,在过去半个世纪内取得了长足的发展,也在有关银河系与M31并合的定量研究中发挥了巨大的作用。随着星系结构理论的丰富、观测水平的提高以及N体模拟软件技术的成熟,银河系与M31并合的图像也越来越清晰与完善。简要介绍了银河系与仙女座星系并合模拟研究的工作流程,回顾了各步骤所用到的理论模型或软件条件于近几十年内取得的发展,选取各阶段代表性模拟结果进行比较;最后给出了未来的研究趋势与改进方向。 展开更多
关键词 n体模拟 银河系 仙女座星系 并合 本星系群
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基于FMM-PM方法的宇宙N体模拟在GPU上的实现和优化 被引量:5
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作者 扶月月 王武 王乔 《数据与计算发展前沿》 2020年第2期155-164,共10页
【目的】本文在多GPU平台上,对基于快速多极子方法(FMM)和粒子网格方法(PM)的天文N体模拟软件PHoToNs的核心函数进行CUDA加速实现和性能优化。【方法】主要优化方法包括算法的参数优化、页锁定内存和CUDA流优化、混合精度和快速数学库... 【目的】本文在多GPU平台上,对基于快速多极子方法(FMM)和粒子网格方法(PM)的天文N体模拟软件PHoToNs的核心函数进行CUDA加速实现和性能优化。【方法】主要优化方法包括算法的参数优化、页锁定内存和CUDA流优化、混合精度和快速数学库优化等。【结果】优化后的短程力相互作用核心函数在Titan V的GPU平台上采用4张GPU卡的计算速度相对采用4个Intel Xeon CPU核提高了约410倍。【结论】本文的优化技术可为其它高性能GPU异构平台上的进一步算法研究和超大规模天文N体模拟提供支撑。 展开更多
关键词 n体模拟 快速多极子方法 GPU 优化
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基于深度学习的无碰撞引力N体数值模拟的可行性研究
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作者 赵梓成 龙潜 +4 位作者 董小波 孟润宇 钟诗言 谌俊毅 向梓琨 《天文研究与技术》 CSCD 2022年第2期165-178,共14页
提出了用深度神经网络代替快速傅里叶变换法求解无碰撞引力N体数值模拟方法PM-Tree(Partical Mesh Tree)中的势能,以提升PM-Tree方法的效率,验证深度学习方法加速无碰撞引力N体数值模拟的可行性。无碰撞引力N体数值模拟对研究星系、暗... 提出了用深度神经网络代替快速傅里叶变换法求解无碰撞引力N体数值模拟方法PM-Tree(Partical Mesh Tree)中的势能,以提升PM-Tree方法的效率,验证深度学习方法加速无碰撞引力N体数值模拟的可行性。无碰撞引力N体数值模拟对研究星系、暗物质晕以及宇宙大尺度结构的形成和演化有重要意义。无碰撞引力N体数值模拟的传统方法在大规模问题上的模拟计算非常耗时,其中PM-Tree方法的主要耗时部分是求解势能。使用深度神经网络代替传统方法加速求解泊松(Poisson)方程,多次调整并训练和测试深度神经网络模型结构,最终选用辅以残差网络局部结构的编码-解码器(Encoder-Decoder)整体结构。验证了深度神经网络解泊松方程的计算时间复杂度为O(N)。同样数据下进行测试,速度高于快速傅里叶变换法和有限差分法求解;在同等采样率的情况下,精度优于快速傅里叶变换法求解,并且具有可扩展性。无碰撞引力N体数值模拟中,用深度神经网络可以提高PM-Tree方法中求解势能的速度,从而有效提高整体模拟速度。 展开更多
关键词 泊松方程 引力n数值模拟 深度神经网络
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基于Blender的天文数据三维可视化 被引量:5
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作者 钱旭冉 朱明 蔡栩 《天文研究与技术》 CSCD 2015年第2期204-211,共8页
天文学是一门以观测为基础的古老学科,在不同波段的各种形式天文望远镜的观测已经积累了大量的数据,天文学领域对数据的处理与展示有着很高的要求与期望。目前有很多团队着力于开发天文数据的可视化分析工具和软件,同时,有很多其他领域... 天文学是一门以观测为基础的古老学科,在不同波段的各种形式天文望远镜的观测已经积累了大量的数据,天文学领域对数据的处理与展示有着很高的要求与期望。目前有很多团队着力于开发天文数据的可视化分析工具和软件,同时,有很多其他领域的软件,通过整合和修改也可以应用到天文数据上。介绍了对三维建模软件Blender的工具包的再开发,结合其内置的Python API和BPY库,实现对常用天文数据三维数据单元(Data Cube)和N体模拟结果的实时静态和动态三维可视化。 展开更多
关键词 三维可视化 三维数据单元 n体模拟
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星际介质在星系形成数值模拟中的作用(英文)
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作者 Peter R.Williams Alistair H.Nelson 《科学技术与工程》 2005年第24期1876-1880,共5页
通过对一百多个星系形成数值模拟和试验的分析,现在可以对引力的树结构算法和平滑粒子流体力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)这两种数值模拟技术的准确性和可靠性做定量的估计。这些结果表明若给SPH方法中使用的平滑半径(h)固... 通过对一百多个星系形成数值模拟和试验的分析,现在可以对引力的树结构算法和平滑粒子流体力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)这两种数值模拟技术的准确性和可靠性做定量的估计。这些结果表明若给SPH方法中使用的平滑半径(h)固定一个下限值,可能会导致数值解的准确性严重下降。若随时调整h的值使得SPH方法计算粒子的邻近粒子数总和保持不变,则可以避免这种有害的影响,使准确性得到提高。结果还表明为了可以准确地模拟原星系的坍缩,小心地选取那些影响引力加速度准确性的参量尤其重要。 展开更多
关键词 n体模拟 星系 星际介质 形成 结构 演化
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HD 82943行星系统的2:1共振与稳定性 被引量:1
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作者 季江徽 刘林 《天文学报》 CSCD 北大核心 2005年第3期282-293,共12页
用直接数值积分方法通过模拟不同的行星构型探讨了HD82943行星系统(由两颗共振的巨行星组成)的长期动力演化,同时,还研究了在相空间的轨道运动.在对系统长达107年数值积分中,发现所有的稳定轨道均与2:1共振相关联.典型地,在相同的时标内... 用直接数值积分方法通过模拟不同的行星构型探讨了HD82943行星系统(由两颗共振的巨行星组成)的长期动力演化,同时,还研究了在相空间的轨道运动.在对系统长达107年数值积分中,发现所有的稳定轨道均与2:1共振相关联.典型地,在相同的时标内,两个共振幅角θ1和θ2同时(或其中之一)存在秤动.由于共振幅角在一定范围内的秤动,因而使两颗行星轨道半长径被约束而表现为规则运动模式.另外,利用分析模型(包含了外行星偏心率e2的因素),还讨论了对于不同取值的e2和相对近星点经度θ时,内行星在相空间的运动,并发现2:1轨道共振对于相对较小的e2以及当θ=0°时易于保持.此外,适中的e2将导致系统的两颗行星进入深度共振状态.再者,分析模型和数值计算的结果吻合得很好,两者都揭示了行星系统的2:1共振结构. 展开更多
关键词 恒星动力学-方法 n体模拟 力学 平运动共振 行星系统
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小行星主带上单个行星的质量上限
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作者 李培俊 周济林 《天文学报》 CSCD 北大核心 2006年第4期394-401,共8页
介绍了N体模拟的Hermite算法,并利用该算法研究了不同质量行星在小行星主带上轨道的演化情况.采用的演化模型是太阳系N体模型(N=7),即把水星、金星、地球的质量加到太阳上,忽略冥王星,同时在小行星主带附近增加一个假想行星,系统演化... 介绍了N体模拟的Hermite算法,并利用该算法研究了不同质量行星在小行星主带上轨道的演化情况.采用的演化模型是太阳系N体模型(N=7),即把水星、金星、地球的质量加到太阳上,忽略冥王星,同时在小行星主带附近增加一个假想行星,系统演化时间为1亿年.数值模拟显示能够稳定存在于小行星主带上的单个天体的质量上限其量级为10^(25)kg.模拟同时还显示在某些情况下,假想行星与木星之间的低阶共振可以增强系统的稳定性. 展开更多
关键词 力学 数值算法 n体模拟 行星系统 太阳系
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类地行星的形成模拟 被引量:2
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作者 张牛 季江徽 《中国科学(G辑)》 CSCD 北大核心 2009年第5期766-775,共10页
用数值方法讨论了行星形成末期,即原恒星形成大约3Ma,气体盘消散后类地行星的形成.模型中考虑了2个大行星("木星"和"土星")的引力作用,并考虑了不同的"土星"质量、星子的初始偏心率以及星子之间的自引力... 用数值方法讨论了行星形成末期,即原恒星形成大约3Ma,气体盘消散后类地行星的形成.模型中考虑了2个大行星("木星"和"土星")的引力作用,并考虑了不同的"土星"质量、星子的初始偏心率以及星子之间的自引力对吸积的影响.结果显示,类地行星在大约50Ma的时间内形成,其质量吸积率在60%~80%之间.每个算例中在"木星"内侧有3~4颗类地行星形成,质量在(0.15~3.6)M⊕之间.在0.5~4AU之间,当星子的偏心率被激发后,星子可以在很大径向范围吸积物质."可居住区"的类地行星富含丰富的"水物质"(或挥发性物质)可能来自这种吸积.两个大行星之间的星子在"土星"的质量适中时也会发生少量的吸积,在108a时间尺度上小质量天体在某些共振位置处可以稳定存在.形成的行星系统中轨道周期通约的现象较普遍,发现了一种"振动-循环"的3:2平运动共振构型. 展开更多
关键词 物理 系外行星 行星形成 n体模拟
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通过数值模拟技术探索暗物质晕的密度轮廓 被引量:1
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作者 王杰 《科学通报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第11期1327-1335,共9页
数值模拟技术不仅帮助我们确立了以暗物质、暗能量为主导的LCDM(Λcold dark matter)标准宇宙学模型,也帮助我们对暗物质形成的结构体——暗晕的各种属性给出了精细的刻画,特别是暗物质晕的密度轮廓.本文首先回顾了这一领域自20世纪80... 数值模拟技术不仅帮助我们确立了以暗物质、暗能量为主导的LCDM(Λcold dark matter)标准宇宙学模型,也帮助我们对暗物质形成的结构体——暗晕的各种属性给出了精细的刻画,特别是暗物质晕的密度轮廓.本文首先回顾了这一领域自20世纪80年代以来的发展历史.通过数值模拟,人们发现,暗晕密度轮廓并非理论模型预测的单一幂律分布,而是从内向外,幂指数从-1左右到-3逐渐变化;而且,暗晕的内部结构由其形成历史决定.此后,人们逐步对100万太阳质量以上暗晕的内部结构有了非常精准的刻画.但由于计算资源的限制,对比这一质量小的暗晕则依然了解甚少.最近通过新开发的多重模拟技术,我们才得以对从最小的地球大小的暗晕(10-6太阳质量)到最大的星系团暗晕(1015太阳质量)的内部结构给出精确描述.本文对这一重要进展进行了详细的解读.总之,对所有质量暗晕的密度轮廓的认识将会帮助我们理解物质在宇宙中的分布、暗晕形成在星系形成过程中的作用,同时也将帮助我们去探索如何更好地通过天体物理方法来确定暗物质的本质属性,但重子物质的各种复杂物理过程对暗晕内部结构,特别是密度轮廓的影响依然还是一个开放的问题,这也将是我们下一步需要研究的主要方向. 展开更多
关键词 暗物质 暗晕 暗物质探测 宇宙学 数值模拟 n体模拟
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宇宙大尺度结构的小波功率谱分析:方法及数值模拟检验 被引量:1
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作者 杨小虎 冯珑珑 褚耀泉 《中国科学(A辑)》 CSCD 北大核心 2001年第3期278-288,共11页
采用基于离散小波变换 (discretewavelettransformation)的多分辨分析 ,给出离散星系样本的功率谱估计的像素化方法 .由于小波基函数在物理空间和波数空间同时具有局域化性质 ,可以证明离散小波功率谱 (DWT谱 )等效于Fourier功率谱的频... 采用基于离散小波变换 (discretewavelettransformation)的多分辨分析 ,给出离散星系样本的功率谱估计的像素化方法 .由于小波基函数在物理空间和波数空间同时具有局域化性质 ,可以证明离散小波功率谱 (DWT谱 )等效于Fourier功率谱的频带平均 .同时 ,对给定的扰动尺度 ,DWT谱可以自适应地选择样本的空间取样 ,并在各态历经假设下 ,通过局域化扰动谱的空间平均实现对系综的平均 .进一步采用N体数值模拟方法对 4种典型的冷暗物质结构生成模型的DWT谱进行了统计检验 .为考虑各种观测效应的影响 ,分别在模拟样本中引入了不规则巡天几何 ,一定的选样率 ,径向选择效应以及红移畸变效应 ,并检验其对DWT功率谱估计的影响 .数值结果表明 ,得益于小波的局域化性质 ,DWT谱较少受到选样率、巡天几何及系综统计涨落的影响 ,并且通过小波分解的快速算法 ,DWT谱估计方法可以有效地应用于大巡天样本的统计 ,这对由新一代红移巡天样本精确测量宇宙学参数具有直接的意义 . 展开更多
关键词 宇宙大尺度结构 n数值模拟 红移巡天 小波功率谱 离散小波变换 多分辨分析
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The DWT power spectrum analysis of the large scale structure in the universe: Method and simulation tests
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作者 杨小虎 褚耀泉 冯珑珑 《Science China Mathematics》 SCIE 2001年第5期669-680,共12页
Based on the discrete wavelet transformation (DWT), we prese nt apixelized method of estimating the power spectra of galaxy samples. With lo cal properties of wavelet both in physical and wavenumber spaces, DWT power ... Based on the discrete wavelet transformation (DWT), we prese nt apixelized method of estimating the power spectra of galaxy samples. With lo cal properties of wavelet both in physical and wavenumber spaces, DWT power spec trum is equal to the corresponding band average of Fourier power spectrum. The D WT estimator is optimized in the sense that the spatial resolution is adaptive a utomatically to the perturbation wavelength to be studied. Under the assumption of ergodicity, the spatial average of local DWT fluctuation modes provides a fai r estimation of the ensemble average. We test DWT spectra of four typical cold da rk matter (CDM) structure formation models with numerical simulations. To consid er the infections of various observation effects to the DWT spectra, we introduc e irregular survey geometries, a given sampling rate, radial selection effects a nd redshift distortion effects into our mock samples. The numerical results show that, owing to its local properties, DWT spectrum is less affected by the sampl ing rate, survey geometry, and statistical ensemble fluctuations. With fast wave let decomposition algorithm, DWT can be used to analyze large survey samples, wh i ch is of direct significance in precise measurement of the cosmological paramete rs from the galaxy redshift surveys of next generation. 展开更多
关键词 large-scale structure n-body simulation redshift survey
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环双星系统中行星-行星之间的散射
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作者 宫衍香 谢基伟 周济林 《中国科学:物理学、力学、天文学》 CSCD 北大核心 2014年第3期326-340,共15页
流体模拟的研究表明,如果多颗行星形成在环绕双星的气体盘中,行星之间的会聚迁移会导致行星之间的散射.本文系统研究了环双星的行星系统中两颗等质量行星(P型行星)之间的散射,目的是探讨散射对P型行星系统构型的影响.数值模拟的研究表... 流体模拟的研究表明,如果多颗行星形成在环绕双星的气体盘中,行星之间的会聚迁移会导致行星之间的散射.本文系统研究了环双星的行星系统中两颗等质量行星(P型行星)之间的散射,目的是探讨散射对P型行星系统构型的影响.数值模拟的研究表明散射后只剩一颗行星的几率最大,一般>80%.从某种意义上说,伴星的存在有利于行星的存活,尤其是在靠近双星的地方.我们发现散射会导致行星的向外迁移,这和单恒星系统中的散射现象相反,此现象可以用来解释最近通过成像方法发现的远距离P型行星.即便对于等质量的行星,散射位置的不同会造成偏心率分布的多样性.在靠近双星的位置,幸存行星的偏心率较小;在远离双星的位置,剩余行星的偏心率较大.此外,P型行星之间的散射可使P型行星转变为围绕一颗主星运行的S型行星. 展开更多
关键词 双星系统 P型行星 行星散射 n体模拟
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