Впервые создана модель Вселенной, охватывающая миллиарды световых лет

Сегодня величайшие загадки, с которыми сталкиваются астрономы и космологи, - это роль гравитационного притяжения и космического расширения в эволюции Вселенной.

Чтобы разрешить эти загадки, астрономы и космологи используют двоякий подход. Они состоят из непосредственного наблюдения за космосом, чтобы наблюдать за этими силами в действии, одновременно пытаясь найти теоретические решения для наблюдаемого поведения, такого как темная материя и темная энергия.

Между этими двумя подходами ученые моделируют космическую эволюцию с помощью компьютерного моделирования, чтобы увидеть, совпадают ли наблюдения с теоретическими предсказаниями. Последним из них является AbacusSummit, пакет моделирования, созданный Центром вычислительной астрофизики (CCA) Института Флэтайрон и Гарвард-Смитсоновским центром астрофизики (CfA).

Этот пакет, способный обрабатывать почти 60 триллионов частиц, является крупнейшим когда-либо созданным космологическим моделированием.

Создатели AbacusSummit анонсировали набор для моделирования в серии статей, опубликованных в Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества (MNRAS).

Состоящий из более чем 160 симуляций, он моделирует поведение частиц в коробчатой ​​среде из-за гравитационного притяжения. Эти модели известны как моделирование N-тел и являются неотъемлемой частью моделирования взаимодействия темной материи с барионной (также известной как “видимая“) материей.

Разработкой пакета моделирования AbacusSummit руководили Леман Гаррисон (научный сотрудник CCA), а также Нина Максимова и Даниэль Эйзенштейн, аспирант и профессор астрономии CfA (соответственно).

Моделирование проводилось на суперкомпьютере Summit в Oak Ridge Leadership Computing Facility (ORLCF) в Теннесси под надзором Министерства энергетики США (DoE).

Расчеты N-тел, которые состоят в вычислении гравитационного взаимодействия планет и других объектов, являются одной из самых серьезных проблем, с которыми сегодня сталкиваются астрофизики.

Отчасти это пугает то, что каждый объект взаимодействует с каждым другим объектом, независимо от того, насколько они удалены друг от друга - чем больше исследуемых объектов, тем больше взаимодействий необходимо учитывать.

На сегодняшний день все еще не существует решения для задач N-тел, в которых задействованы три или более массивных тела, а имеющиеся расчеты являются лишь приблизительными. Например, математика для расчета взаимодействия трех тел, таких как двойная звездная система и планета (известная как “проблема трех тел“), еще не решена.

Обычный подход к космологическому моделированию - это остановка часов, вычисление общей силы, действующей на каждый объект, медленное перемещение времени вперед и повторение.

В рамках своего исследования (которым руководила Максимова) команда разработала свою кодовую базу (названную Abacus), чтобы использовать преимущества параллельной вычислительной мощности Summit, благодаря которой несколько вычислений могут выполняться одновременно.

Они также полагались на алгоритмы машинного обучения и новый численный метод, который позволил им вычислить 70 миллионов частиц на узел / с в ранние времена и 45 миллионов обновлений частиц на узел / с в более поздние времена.

В дополнение к обычным задачам, выполнение полного моделирования вычислений N-тел требует тщательного проектирования алгоритмов из-за всей задействованной памяти.

Это означает, что Abacus не мог делать копии симуляции для различных узлов суперкомпьютера и вместо этого разбивал каждую симуляцию на сетку. Это состоит из приближенных вычислений для далеких частиц, которые играют меньшую роль, чем близкие.

Затем он разделяет близлежащие частицы на несколько ячеек, чтобы компьютер мог работать с каждой независимо, а затем объединяет результаты каждой с приближением удаленных частиц.

Исследовательская группа обнаружила, что этот подход (равномерное разделение) лучше использует параллельную обработку и позволяет вычислить большой объем приближения удаленных частиц до начала моделирования.

Это значительное улучшение по сравнению с другими кодовыми базами N-тел, которые нерегулярно разделяют симуляции на основе распределения частиц.

Благодаря своей конструкции, Abacus может обновлять 70 миллионов частиц за узел в секунду (где каждая частица представляет собой сгусток темной материи с тремя миллиардами солнечных масс). Он также может анализировать симуляцию во время ее работы и искать участки темной материи, указывающие на наличие ярких звездообразующих галактик.

Эти и другие космологические объекты станут предметом будущих обзоров, которые картируют космос с беспрецедентной детализацией. К ним относятся спектроскопический прибор темной энергии (DESI), римский космический телескоп Нэнси Грейс (RST) и космический корабль Евклида ЕКА.

Одна из целей этих высокобюджетных миссий - улучшить оценки космических и астрофизических параметров, которые определяют, как Вселенная ведет себя и как выглядит.

Это, в свою очередь, позволит проводить более детальное моделирование с использованием обновленных значений различных параметров, таких как темная энергия.

Напомним, ранее сообщалось, что ученые показали самые первые структуры в молодой Вселенной.

Источник