Astrofyzici odhalují dosud největší simulaci vesmíru – jak gravitace formovala rozložení temné hmoty

Aby astronomové AbacusSummit pochopili, jak vznikl vesmír, vytvořili více než 160 simulací toho, jak gravitace utváří rozložení temné hmoty.

Nově vydané pole kosmické simulace je největší, jaké kdy bylo vyrobeno, dohromady zaznamenává téměř 60 bilionů částic.

Simulační sada nazvaná AbacusSummit bude užitečná pro extrahování tajemství vesmíru z nadcházejících průzkumů vesmíru, očekávají její tvůrci. Prezentují AbacusSummit v několika výzkumných pracích nedávno publikovaných v Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti.

AbacusSummit je produktem výzkumníků z Centra výpočetní astrofyziky (CCA) Flatiron Institute (CCA) v New Yorku a Centra pro astrofyziku | Harvard a Smithsonian. Skládá se z více než 160 simulací a zobrazuje, jak se částice ve vesmíru pohybují díky své gravitaci. Tyto modely, známé jako N-body simulace, zachycují chování temné hmoty, tajemné a neviditelné síly, která tvoří 27 % vesmíru a interaguje pouze gravitací.

Sbírka AbacusSummit obsahuje stovky simulací toho, jak gravitace utváří distribuci temné hmoty ve vesmíru. Zde je zobrazen snímek jedné ze simulací v měřítku zvětšení 1,2 miliardy světelných let. Simulace replikují rozsáhlé struktury našeho vesmíru, jako je kosmická síť a masivní kupy galaxií. Kredit: AbacusSummit Team; Plánování a design Lucy Reading-Ikanda

říká Lehman Garrison, hlavní autor jednoho z nových článků a vědecký pracovník CCA.

Garrison vedl vývoj pultových simulací spolu s postgraduální studentkou Ninou Maksimovou a profesorem astronomie Danielem Eisensteinem, kteří oba pracují v Centru pro astrofyziku. Simulace byly provedeny na superpočítači amerického ministerstva energetiky v Oak Ridge Leadership Computing Facility v Tennessee.

Mnoho vesmírných průzkumů v nadcházejících letech vytvoří mapy vesmíru v nebývalých detailech. Tato spektroskopická zařízení temné energie zahrnují (DESI), římský vesmírný dalekohled Nancy Grace, observatoř Vera Sea Robin a kosmická loď Euclid. Jedním z cílů těchto velkorozpočtových misí je zlepšit odhady kosmologických a astrofyzikálních parametrů, které určují, jak se vesmír chová a jak vypadá.

Vědci provedou tyto vylepšené odhady porovnáním nových pozorování s počítačovými simulacemi vesmíru s různými hodnotami pro různé parametry – jako je povaha temné energie, která odděluje vesmír.

Počítadlo využívá výhody paralelního počítačového zpracování k výraznému urychlení výpočtů toho, jak se částice pohybují v důsledku jejich gravitace. Postup sekvenčního zpracování (nahoře) vypočítává přitažlivost mezi každou dvojicí částic jednu po druhé. Paralelní zpracování (dole) místo toho rozděluje práci mezi více výpočetních jader, což umožňuje simultánní výpočet interakcí více částic. Kredit: Lucy Reading-Ikkanda Foundation/Simons

„Příští generace kosmologických průzkumů velmi podrobně zmapuje vesmír a prozkoumá širokou škálu kosmologických otázek,“ říká Eisenstein, který je spoluautorem nových článků MNRAS. Ale využití této příležitosti vyžaduje novou generaci ambiciózních numerických simulací. Věříme, že AbacusSummit bude odvážným krokem pro synergii mezi účtem a zkušenostmi. „

Desetiletý projekt byl skličující. Výpočty N-těl, které se pokoušejí vypočítat pohyby objektů, jako jsou planety, interagující s gravitací, byly výzvou číslo jedna na poli fyziky od dob Isaaca Newtona. Trik pochází z interakce každého objektu s každým jiným objektem, bez ohledu na jeho vzdálenost. To znamená, že jak přidáváte více věcí, počet interakcí se rychle zvyšuje.

Neexistuje žádné obecné řešení problému N-těles pro tři a více masivních těles. Dostupné výpočty jsou pouze hrubé odhady. Běžnou metodou je zmrazit čas, vypočítat celkovou sílu působící na každý objekt a poté zatlačit každý prvek na základě celkové síly, kterou zažije. Pak se čas trochu posune dopředu a proces se opakuje.

Pomocí tohoto přístupu AbacusSummit zpracoval obrovské množství částic díky chytrému kódu, nové numerické metodě a velkému výpočetnímu výkonu. Superpočítač Summit byl v době, kdy tým prováděl výpočty, nejrychlejší na světě; Stále nejrychlejší počítač v USA

Tým navrhl kódovou základnu pro Summit AbacusSummit – nazvanou Abacus – tak, aby plně využila výkon paralelního zpracování Summit, kde lze provádět mnoho výpočtů současně. Konkrétně Summit se může pochlubit několika GPU nebo GPU, které vynikají paralelním zpracováním.

Spouštění výpočtů N-body pomocí paralelního zpracování vyžaduje pečlivý návrh algoritmu, protože celá simulace vyžaduje velké množství paměti pro ukládání. To znamená, že čítač může nejen vytvářet kopie simulace pro různé uzly superpočítače, na kterých mohou pracovat. Místo toho kód rozdělí každou simulaci do mřížky. Počáteční výpočet poskytuje spravedlivou aproximaci účinků vzdálených částic v jakémkoli daném bodě simulace (které hrají mnohem menší roli než blízké částice). Počítadlo pak seskupuje a odděluje blízké buňky, takže počítač může pracovat na každé skupině nezávisle a kombinuje aproximace vzdálených částic s přesnými výpočty blízkých částic.

„Algoritmus čítače dobře zapadá do možností moderních superpočítačů a poskytuje velmi pravidelný vzor výpočtu pro masivní paralelismus sdílených GPU,“ říká Maximova.

Díky svému designu dosáhl čítač velmi vysokých rychlostí, obnovil 70 milionů částic za sekundu na uzel superpočítače Summit, zatímco analyzoval simulace za běhu. Každá částice představuje hmotnost temné hmoty 3 miliardkrát větší než hmotnost Slunce.

„Naší vizí bylo vytvořit tento kód, který poskytne simulace potřebné pro tento zcela nový specifický průzkum galaxií,“ říká Garrison. „Napsali jsme kód, aby byly simulace mnohem rychlejší a přesnější než kdykoli předtím.“

Eisenstein, člen spolupráce DESI – která nedávno zahájila svůj průzkum s cílem zmapovat bezprecedentní část vesmíru – říká, že je dychtivý v budoucnu používat počítadlo.

„Kosmologie letí kupředu díky interdisciplinárnímu spojení úžasných pozorování a moderních počítačů,“ říká. „Příští desetiletí slibuje, že bude fascinujícím věkem v našem studiu historického pohybu vesmíru.“

Reference: „Abacus Top: Obrovská sbírkaZdraví, High-resolution N-body simulation” od Niny A. Maksimové, Lymana H. Garrisona, Daniela J. Eisensteina, Boriany Hadzisky, Sunaka Bose a Thomase P. Satterthwaitea, 7. září 2021, mPravidelná oznámení Královské astronomické společnosti.
DOI: 10.1093/mnras/stab2484

Mezi další spoluautory Abacus Summit a Abacus patří Sihan Yuan ze Stanford University, Philip Pinto z University of Arizona, Sunak Boss z Durhamské univerzity v Anglii a Centrum pro výzkum astrofyziky Boriana Hadjiska, Thomas Satterthwaite a Douglas Ferrer. Simulace byly spuštěny na superpočítači Summit v rámci zadání Advanced Computing Challenge pro Scientific Computing Research.