Simulácia gigantického vesmíru, ktorá presahuje miliardy svetelných rokov, je vôbec najväčšia

Snímka jednej zo simulácií AbacusSummit. (Tím AbacusSummit)

Najväčšími záhadami, ktorým dnes astronómovia a kozmológovia čelia, sú úlohy gravitačnej príťažlivosti a kozmickej expanzie vo vývoji vesmíru.

Na vyriešenie týchto záhad astronómovia a kozmológovia používajú dvojaký prístup. Pozostávajú z priameho pozorovania vesmíru s cieľom pozorovať tieto sily pri práci a zároveň sa pokúšať nájsť teoretické riešenia pre pozorované správanie – ako napr. temná hmota a temná energia .

Medzi týmito dvoma prístupmi vedci modelujú kozmický vývoj pomocou počítačových simulácií, aby zistili, či sú pozorovania v súlade s teoretickými predpoveďami. Najnovšia z nich je Summit Abacus , simulačný balík vytvorený Flatiron Institute's Centrum výpočtovej astrofyziky (CCA) a Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA).



Takmer schopné spracovania 60 biliónov častíc , táto sada je najväčšou kozmologickou simuláciou, aká bola kedy vytvorená.

Tvorcovia AbacusSummit oznámili simulačný balík v sérii článkov, ktoré sa objavili v Mesačné oznámenia Kráľovskej astronomickej spoločnosti (MNRAS).

Skladá sa z viac ako 160 simulácií a modeluje, ako sa častice správajú v prostredí v tvare krabice v dôsledku gravitačnej príťažlivosti. Tieto modely sú známe ako simulácie N-telies a sú neoddeliteľnou súčasťou modelovania temná hmota interaguje s baryonovou (aka. 'viditeľnou') hmotou.

Vývoj simulačného balíka AbacusSummit viedol Lehman Garrison (výskumný pracovník CCA) a Nina Maksimova a Daniel Eisenstein, postgraduálny študent a profesor astronómie na CfA (v tomto poradí).

Simulácie boli spustené na Summit superpočítač na Oak Ridge Leadership Computing Facility (ORLCF) v Tennessee – pod dohľadom Ministerstva energetiky USA (DoE).

Výpočty N-telies, ktoré pozostávajú z výpočtu gravitačnej interakcie planét a iných objektov, patria medzi najväčšie výzvy, ktorým dnes astrofyzici čelia.

Časť toho, čo robí to skľučujúcim, je, že každý objekt interaguje s každým iným objektom, bez ohľadu na to, ako ďaleko sú od seba - čím viac objektov sa skúma, tým viac interakcií je potrebné zohľadniť.

K dnešnému dňu stále neexistuje riešenie pre problémy s telesami N, kde sú zahrnuté tri alebo viac masívnych telies a dostupné výpočty sú len približné. Napríklad matematika na výpočet interakcie troch telies, ako je dvojhviezdny systém a planéta (známa ako „problém troch telies“), ešte nebola vyriešená.

Bežným prístupom kozmologických simulácií je zastavenie hodín, výpočet celkovej sily pôsobiacej na každý objekt, pomalé posúvanie času dopredu a opakovanie.

V záujme svojho výskumu (ktorý viedla Maksimova) tím navrhol svoju kódovú základňu (nazývanú Abacus), aby využila paralelný výpočtový výkon Summit – vďaka čomu môže súčasne bežať viacero výpočtov.

Tiež sa spoliehali na strojové učenie algoritmy a nová numerická metóda, ktorá im umožnila vypočítať 70 miliónov častíc na uzol/s v skorých časoch a 45 miliónov aktualizácií častíc na uzol/s neskôr.

Ako Garrison nedávno vysvetlil Tlačová správa CCA :

„Táto sada je taká veľká, že má pravdepodobne viac častíc ako všetky ostatné simulácie N-telies, ktoré kedy boli spustené dohromady – aj keď je ťažké si tým byť istý. Prieskumy galaxií prinášajú nesmierne podrobné mapy vesmíru a my potrebujeme podobne ambiciózne simulácie, ktoré pokrývajú širokú škálu možných vesmírov, v ktorých by sme mohli žiť.

„AbacusSummit je prvý balík takýchto simulácií, ktorý má šírku a presnosť na porovnanie s týmito úžasnými pozorovaniami... Našou víziou bolo vytvoriť tento kód, ktorý by poskytoval simulácie, ktoré sú potrebné pre túto konkrétnu novú značku prieskumu galaxií. Napísali sme kód, aby sme robili simulácie oveľa rýchlejšie a oveľa presnejšie ako kedykoľvek predtým.“

Okrem zvyčajných výziev si spustenie úplných simulácií výpočtov N-telesa vyžaduje, aby boli algoritmy starostlivo navrhnuté z dôvodu všetkého ukladania pamäte.

To znamená, že Abacus nemohol vytvoriť kópie simulácie pre rôzne uzly superpočítačov, na ktorých by mohli pracovať, a namiesto toho rozdelil každú simuláciu do mriežky. To pozostáva z približných výpočtov pre vzdialené častice, ktoré hrajú menšiu úlohu ako blízke častice.

Potom rozdelí blízke častice do viacerých buniek, takže počítač môže pracovať s každou nezávisle a potom skombinuje výsledky každej s aproximáciou vzdialených častíc.

Výskumný tím zistil, že tento prístup (jednotné delenie) lepšie využíva paralelné spracovanie a umožňuje vypočítať veľké množstvo aproximácie vzdialených častíc pred začiatkom simulácie.

Ide o výrazné zlepšenie iných kódových báz N-telies, ktoré nepravidelne rozdeľujú simulácie na základe rozloženia častíc.

Vďaka svojmu dizajnu dokáže Abacus aktualizovať 70 miliónov častíc za uzol za sekundu (kde každá častica predstavuje zhluk tmavej hmoty s tromi miliardami slnečných hmôt). Môže tiež analyzovať simuláciu počas jej behu a hľadať škvrny tmavej hmoty, ktoré naznačujú prítomnosť jasných galaxií tvoriacich hviezdy.

Tieto a ďalšie kozmologické objekty budú predmetom budúcich prieskumov, ktoré zmapujú kozmos do nevídaných detailov. Medzi ne patrí Spektroskopický prístroj tmavej energie (DESI), the Rímsky vesmírny ďalekohľad Nancy Grace (RST) a ESA Euklides kozmická loď.

Jedným z cieľov týchto veľkorozpočtových misií je zlepšiť odhady kozmických a astrofyzikálnych parametrov, ktoré určujú, ako sa vesmír správa a ako vyzerá.

To zase umožní podrobnejšie simulácie, ktoré využívajú aktualizované hodnoty pre rôzne parametre, ako napr temná energia .

Členom spolupráce DESI je aj Daniel J. Eisenstein, výskumník CfA a spoluautor článku. On a jemu podobní sa tešia na to, čo môže Abacus urobiť pre tieto kozmologické prieskumy v najbližších rokoch.

„Kozmológia ide skokom dopredu vďaka multidisciplinárnej fúzii veľkolepých pozorovaní a najmodernejšej výpočtovej techniky,“ povedal.

'Nadchádzajúce desaťročie sľubuje, že bude úžasným vekom v našom štúdiu historického pohybu vesmíru.'

Tento článok pôvodne publikoval Vesmír dnes . Čítať pôvodný článok .

O Nás

Publikácia Nezávislých, Osvedčených Skutočností O Správach O Zdraví, Priestore, Prírode, Technológii A Životnom Prostredí.