Astrofizicienii dezvăluie cea mai mare simulare a universului vreodată – cum gravitația a modelat distribuția materiei întunecate

Pentru a înțelege cum s-a format universul, astronomii, AbacusSummit, au creat peste 160 de simulări ale modului în care gravitația modelează distribuția materiei întunecate.

Matricea de simulare cosmică recent lansată este cea mai mare produsă vreodată, înregistrând împreună aproape 60 de trilioane de particule.

Setul de simulare, numit AbacusSummit, va fi util pentru extragerea secretelor universului din sondajele viitoare ale universului, se așteaptă creatorii săi. Ei prezintă AbacusSummit în mai multe lucrări de cercetare publicate recent în Anunțurile lunare ale Societății Regale de Astronomie.

AbacusSummit este produsul cercetătorilor de la Centrul pentru Astrofizică Computațională (CCA) al Institutului Flatiron (CCA) din New York și Centrul pentru Astrofizică | Harvard și Smithsonian. Constând din peste 160 de simulări, descrie modul în care particulele din univers se mișcă datorită gravitației lor. Aceste modele, cunoscute ca simulări N-corpi, surprind comportamentul materiei întunecate, o forță misterioasă și invizibilă care reprezintă 27% din univers și interacționează doar prin gravitație.

Colecția lui AbacusSummit include sute de simulări ale modului în care gravitația modelează distribuția materiei întunecate în întregul univers. Aici, un instantaneu al uneia dintre simulări este afișat la o scară de mărire de 1,2 miliarde de ani lumină. Simulările reproduc structurile la scară largă ale universului nostru, cum ar fi rețeaua cosmică și grupurile masive de galaxii. Credit: Echipa AbacusSummit; Planificare și design de Lucy Reading-Ikanda

spune Lehman Garrison, autorul principal al uneia dintre noile lucrări și cercetător la CCA.

Garrison a condus dezvoltarea simulărilor de blat împreună cu studenta absolventă Nina Maksimova și profesorul de astronomie Daniel Eisenstein, ambii lucrând la Centrul de Astrofizică. Simulările au fost efectuate pe un supercomputer al Departamentului de Energie al SUA la Oak Ridge Leadership Computing Facility din Tennessee.

Multe sondaje spațiale vor produce hărți ale universului cu detalii fără precedent în următorii ani. Aceste dispozitive spectroscopice de energie întunecată includ (DESI), Telescopul spațial Roman Nancy Grace, Observatorul Vera Sea Robin și sonda spațială Euclid. Unul dintre obiectivele acestor misiuni cu buget mare este de a îmbunătăți estimările parametrilor cosmologici și astrofizici care determină modul în care se comportă și arată universul.

Oamenii de știință vor face aceste estimări îmbunătățite comparând noile observații cu simulările computerizate ale universului cu valori diferite pentru diferiți parametri – cum ar fi natura energiei întunecate care separă universul.

Contorul profită de procesarea paralelă pe computer pentru a-și accelera foarte mult calculele despre modul în care particulele se mișcă datorită gravitației lor. Abordarea procesării secvenţiale (sus) calculează atracţia dintre fiecare pereche de particule una câte una. Procesarea paralelă (în partea de jos) împarte munca în mai multe nuclee de calcul, permițând calcularea simultană a interacțiunilor cu mai multe particule. Credit: Fundația Lucy Reading-Ikkanda/Simons

„Următoarea generație de studii cosmologice va mapa universul în detaliu și va explora o gamă largă de întrebări cosmologice”, spune Eisenstein, care este co-autor al noilor lucrări MNRAS. Dar pentru a profita de această oportunitate este nevoie de o nouă generație de simulări numerice ambițioase. Credem că AbacusSummit va fi un pas îndrăzneț pentru sinergia dintre cont și experiență. „

Proiectul de un deceniu a fost unul descurajant. Calculele N-corpi – care încearcă să calculeze mișcările obiectelor, cum ar fi planetele, care interacționează cu gravitația – au fost provocarea numărul unu în domeniul fizicii încă de pe vremea lui Isaac Newton. Trucul vine din interacțiunea fiecărui obiect cu orice alt obiect, indiferent de distanța acestuia. Aceasta înseamnă că, pe măsură ce adăugați mai multe lucruri, numărul de interacțiuni crește rapid.

Nu există o soluție generală la problema N-corpilor pentru trei sau mai multe corpuri masive. Calculele disponibile sunt doar estimări aproximative. O metodă comună este de a îngheța timpul, de a calcula forța totală care acționează asupra fiecărui obiect și apoi de a împinge fiecare element pe baza forței totale pe care o experimentează. Apoi timpul înaintează puțin, iar procesul se repetă.

Folosind această abordare, AbacusSummit a procesat un număr mare de particule datorită codului inteligent, unei noi metode numerice și multă putere de calcul. Supercomputerul Summit era cel mai rapid din lume la momentul în care echipa a efectuat calculele; Încă cel mai rapid computer din SUA

Echipa a proiectat baza de cod pentru Summit AbacusSummit – numită Abacus – pentru a profita din plin de puterea de procesare paralelă a Summit, unde multe calcule pot fi efectuate simultan. În special, Summit se mândrește cu mai multe GPU-uri, sau GPU-uri, care excelează la procesarea paralelă.

Rularea calculelor N-corp folosind procesarea paralelă necesită o proiectare atentă a algoritmului, deoarece întreaga simulare necesită o cantitate mare de memorie pentru stocare. Aceasta înseamnă că contorul nu poate face doar copii ale simulării pentru diferite noduri ale supercomputerului pe care să lucreze. În schimb, codul descompune fiecare simulare într-o grilă. Calculul inițial oferă o aproximare corectă a efectelor particulelor îndepărtate în orice punct dat al simularii (care joacă un rol mult mai mic decât particulele din apropiere). Contorul grupează și separă apoi celulele din apropiere, astfel încât computerul să poată lucra pe fiecare grup în mod independent, combinând aproximări ale particulelor îndepărtate cu calcule precise ale particulelor din apropiere.

„Algoritmul de contor se potrivește bine cu capacitățile supercalculatoarelor moderne, oferind un model foarte regulat de calcul pentru paralelismul masiv al GPU-urilor partajate”, spune Maximova.

Datorită designului său, contorul a atins viteze foarte mari, reîmprospătând 70 de milioane de particule pe secundă per nod al supercomputerului Summit, în timp ce analiza simulările pe măsură ce rulau. Fiecare particulă reprezintă o masă de materie întunecată de 3 miliarde de ori masa Soarelui.

„Viziunea noastră a fost să creăm acest cod pentru a furniza simulările necesare pentru acest nou studiu specific al galaxiilor”, spune Garrison. „Am scris codul pentru a face simulări mult mai rapide și mai precise decât oricând.”

Eisenstein, membru al colaborării DESI – care și-a început recent sondajul pentru a cartografi o parte fără precedent a universului – spune că este dornic să folosească contorul în viitor.

„Cosmologia face un salt înainte datorită amalgamării interdisciplinare a observațiilor uimitoare și a calculatoarelor moderne”, spune el. „Următorul deceniu promite să fie o epocă fascinantă în studiul nostru asupra extinderii istorice a universului”.

Referință: „Abacus Top: Huge Collection ofSănătate, High-resolution N-body simulation” de Nina A. Maksimova, Lyman H. Garrison, Daniel J. Eisenstein, Boriana Hadziska, Sunak Bose și Thomas P. Satterthwaite, 7 septembrie 2021, mNotificări periodice ale Societății Regale Astronomice.
DOI: 10.1093/mnras/stab2484

Alți co-autori ai Abacus Summit și Abacus includ Sihan Yuan de la Universitatea Stanford, Philip Pinto de la Universitatea din Arizona, Sunak Boss de la Universitatea Durham din Anglia și Centrul de Cercetare în Astrofizică Boriana Hadjiska, Thomas Satterthwaite și Douglas Ferrer. Simulările au fost executate pe supercomputerul Summit în cadrul misiunii Advanced Computing Challenge pentru Scientific Computing Research.