Οι αστροφυσικοί αποκαλύπτουν τη μεγαλύτερη προσομοίωση του σύμπαντος που έγινε ποτέ – πώς η βαρύτητα διαμόρφωσε την κατανομή της σκοτεινής ύλης

Για να κατανοήσουν πώς σχηματίστηκε το σύμπαν, οι αστρονόμοι, AbacusSummit, δημιούργησαν περισσότερες από 160 προσομοιώσεις για το πώς η βαρύτητα διαμορφώνει την κατανομή της σκοτεινής ύλης.

Η νέα συστοιχία κοσμικής προσομοίωσης που κυκλοφόρησε είναι η μεγαλύτερη που έχει παραχθεί ποτέ, καταγράφοντας συλλογικά σχεδόν 60 τρισεκατομμύρια σωματίδια.

Το σετ προσομοίωσης, που ονομάζεται AbacusSummit, θα είναι χρήσιμο για την εξαγωγή των μυστικών του σύμπαντος από τις επερχόμενες έρευνες του σύμπαντος, αναμένουν οι δημιουργοί του. Παρουσιάζουν το AbacusSummit σε αρκετές ερευνητικές εργασίες που δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο Μηνιαίες Ανακοινώσεις της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας.

Το AbacusSummit είναι προϊόν ερευνητών στο Κέντρο Υπολογιστικής Αστροφυσικής (CCA) του Ινστιτούτου Flatiron (CCA) στη Νέα Υόρκη και του Κέντρου Αστροφυσικής | Harvard και Smithsonian. Αποτελούμενο από περισσότερες από 160 προσομοιώσεις, απεικονίζει πώς κινούνται τα σωματίδια στο σύμπαν λόγω της βαρύτητάς τους. Αυτά τα μοντέλα, γνωστά ως προσομοιώσεις Ν-σώματος, καταγράφουν τη συμπεριφορά της σκοτεινής ύλης, μιας μυστηριώδους και αόρατης δύναμης που αποτελεί το 27% του σύμπαντος και αλληλεπιδρά μόνο με τη βαρύτητα.

Η συλλογή του AbacusSummit περιλαμβάνει εκατοντάδες προσομοιώσεις για το πώς η βαρύτητα διαμορφώνει την κατανομή της σκοτεινής ύλης σε όλο το σύμπαν. Εδώ, ένα πλάνο μιας από τις προσομοιώσεις εμφανίζεται σε κλίμακα μεγέθυνσης 1,2 δισεκατομμυρίων ετών φωτός. Οι προσομοιώσεις αντιγράφουν τις δομές μεγάλης κλίμακας του σύμπαντός μας, όπως ο κοσμικός ιστός και τα τεράστια σμήνη γαλαξιών. Πίστωση: AbacusSummit Team; Σχεδιασμός και σχεδιασμός από την Lucy Reading-Ikanda

λέει ο Lehman Garrison, επικεφαλής συγγραφέας μιας από τις νέες εργασίες και ερευνητής στο CCA.

Ο Garrison ηγήθηκε της ανάπτυξης των προσομοιώσεων πάγκου μαζί με τη μεταπτυχιακή φοιτήτρια Nina Maksimova και τον καθηγητή αστρονομίας Daniel Eisenstein, οι οποίοι και οι δύο εργάζονται στο Κέντρο Αστροφυσικής. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν σε έναν υπερυπολογιστή του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ στο Oak Ridge Leadership Computing Facility στο Τενεσί.

Πολλές διαστημικές έρευνες θα παράγουν χάρτες του σύμπαντος με άνευ προηγουμένου λεπτομέρεια τα επόμενα χρόνια. Αυτές οι φασματοσκοπικές συσκευές σκοτεινής ενέργειας περιλαμβάνουν (DESI), το ρωμαϊκό διαστημικό τηλεσκόπιο Nancy Grace, το Παρατηρητήριο Vera Sea Robin και το διαστημόπλοιο Ευκλείδης. Ένας στόχος αυτών των αποστολών μεγάλου προϋπολογισμού είναι να βελτιώσουν τις εκτιμήσεις των κοσμολογικών και αστροφυσικών παραμέτρων που καθορίζουν τη συμπεριφορά και την εμφάνιση του σύμπαντος.

Οι επιστήμονες θα κάνουν αυτές τις βελτιωμένες εκτιμήσεις συγκρίνοντας τις νέες παρατηρήσεις με προσομοιώσεις υπολογιστή του σύμπαντος με διαφορετικές τιμές για διαφορετικές παραμέτρους — όπως η φύση της σκοτεινής ενέργειας που χωρίζει το σύμπαν.

Ο μετρητής εκμεταλλεύεται την παράλληλη επεξεργασία υπολογιστή για να επιταχύνει σημαντικά τους υπολογισμούς του για το πώς κινούνται τα σωματίδια λόγω της βαρύτητάς τους. Η προσέγγιση διαδοχικής επεξεργασίας (πάνω) υπολογίζει την έλξη μεταξύ κάθε ζεύγους σωματιδίων ένα προς ένα. Η παράλληλη επεξεργασία (στο κάτω μέρος) αντ ‘αυτού χωρίζει την εργασία σε πολλαπλούς υπολογιστικούς πυρήνες, επιτρέποντας τον ταυτόχρονο υπολογισμό πολλαπλών αλληλεπιδράσεων σωματιδίων. Πιστοποίηση: Lucy Reading-Ikkanda Foundation/Simons

«Η επόμενη γενιά κοσμολογικών ερευνών θα χαρτογραφήσει το σύμπαν με μεγάλη λεπτομέρεια και θα εξερευνήσει ένα ευρύ φάσμα κοσμολογικών ερωτημάτων», λέει ο Eisenstein, ο οποίος είναι συν-συγγραφέας στα νέα έγγραφα MNRAS. Αλλά η εκμετάλλευση αυτής της ευκαιρίας απαιτεί μια νέα γενιά φιλόδοξων αριθμητικών προσομοιώσεων. Πιστεύουμε ότι το AbacusSummit θα είναι ένα τολμηρό βήμα για τη συνέργεια μεταξύ λογαριασμού και εμπειρίας. “

Το έργο της δεκαετίας ήταν τρομακτικό. Οι υπολογισμοί Ν-σώματος – που προσπαθούν να υπολογίσουν τις κινήσεις αντικειμένων, όπως οι πλανήτες, που αλληλεπιδρούν με τη βαρύτητα – ήταν η νούμερο ένα πρόκληση στον τομέα της φυσικής από την εποχή του Ισαάκ Νεύτωνα. Το κόλπο προέρχεται από την αλληλεπίδραση κάθε αντικειμένου με κάθε άλλο αντικείμενο, ανεξάρτητα από την απόστασή του. Αυτό σημαίνει ότι καθώς προσθέτετε περισσότερα πράγματα, ο αριθμός των αλληλεπιδράσεων αυξάνεται γρήγορα.

Δεν υπάρχει γενική λύση στο πρόβλημα του Ν-σώματος για τρία ή περισσότερα ογκώδη σώματα. Οι διαθέσιμοι υπολογισμοί είναι απλώς πρόχειρες εκτιμήσεις. Μια κοινή μέθοδος είναι να παγώνει ο χρόνος, να υπολογίζεται η συνολική δύναμη που ασκείται σε κάθε αντικείμενο και, στη συνέχεια, να ωθεί κάθε στοιχείο με βάση τη συνολική δύναμη που δέχεται. Στη συνέχεια ο χρόνος προχωρά λίγο μπροστά και η διαδικασία επαναλαμβάνεται.

Χρησιμοποιώντας αυτήν την προσέγγιση, το AbacusSummit έχει επεξεργαστεί τεράστιους αριθμούς σωματιδίων χάρη στον έξυπνο κώδικα, μια νέα αριθμητική μέθοδο και μεγάλη υπολογιστική ισχύ. Ο υπερυπολογιστής Summit ήταν ο ταχύτερος στον κόσμο τη στιγμή που η ομάδα έκανε τους υπολογισμούς. Ακόμα ο ταχύτερος υπολογιστής στις ΗΠΑ

Η ομάδα σχεδίασε τη βάση κώδικα για το Summit AbacusSummit – που ονομάζεται Abacus – για να εκμεταλλευτεί πλήρως την παράλληλη επεξεργαστική ισχύ του Summit, όπου πολλοί υπολογισμοί μπορούν να εκτελεστούν ταυτόχρονα. Συγκεκριμένα, το Summit μπορεί να υπερηφανεύεται για αρκετές GPU, ή GPU, που υπερέχουν στην παράλληλη επεξεργασία.

Η εκτέλεση υπολογισμών N-body χρησιμοποιώντας παράλληλη επεξεργασία απαιτεί προσεκτικό σχεδιασμό αλγορίθμων επειδή ολόκληρη η προσομοίωση απαιτεί μεγάλη ποσότητα μνήμης για αποθήκευση. Αυτό σημαίνει ότι ο μετρητής δεν μπορεί μόνο να δημιουργήσει αντίγραφα της προσομοίωσης για διαφορετικούς κόμβους του υπερυπολογιστή για εργασία. Αντίθετα, ο κώδικας σπάει κάθε προσομοίωση σε ένα πλέγμα. Ο αρχικός υπολογισμός παρέχει μια δίκαιη προσέγγιση των επιδράσεων των απομακρυσμένων σωματιδίων σε οποιοδήποτε δεδομένο σημείο της προσομοίωσης (τα οποία παίζουν πολύ μικρότερο ρόλο από τα κοντινά σωματίδια). Στη συνέχεια, ο μετρητής ομαδοποιεί και διαχωρίζει τα κοντινά κελιά έτσι ώστε ο υπολογιστής να μπορεί να λειτουργεί σε κάθε ομάδα ανεξάρτητα, συνδυάζοντας προσεγγίσεις απομακρυσμένων σωματιδίων με ακριβείς υπολογισμούς κοντινών σωματιδίων.

«Ο αλγόριθμος μετρητή ταιριάζει καλά με τις δυνατότητες των σύγχρονων υπερυπολογιστών, παρέχοντας ένα πολύ κανονικό μοτίβο υπολογισμού για τον τεράστιο παραλληλισμό των κοινών GPU», λέει η Maximova.

Χάρη στη σχεδίασή του, ο μετρητής πέτυχε πολύ υψηλές ταχύτητες, ανανεώνοντας 70 εκατομμύρια σωματίδια ανά δευτερόλεπτο ανά κόμβο του υπερυπολογιστή Summit, ενώ ανέλυε προσομοιώσεις καθώς εκτελούνταν. Κάθε σωματίδιο αντιπροσωπεύει μια μάζα σκοτεινής ύλης 3 δισεκατομμύρια φορές τη μάζα του Ήλιου.

«Το όραμά μας ήταν να δημιουργήσουμε αυτόν τον κώδικα για να παραδώσουμε τις προσομοιώσεις που απαιτούνται για αυτήν την ολοκαίνουργια συγκεκριμένη έρευνα γαλαξιών», λέει ο Garrison. “Γράψαμε τον κώδικα για να κάνουμε τις προσομοιώσεις πολύ πιο γρήγορες και ακριβείς από ποτέ.”

Ο Eisenstein, μέλος της συνεργασίας DESI – η οποία ξεκίνησε πρόσφατα την έρευνά της για τη χαρτογράφηση ενός άνευ προηγουμένου τμήματος του σύμπαντος – λέει ότι είναι πρόθυμος να χρησιμοποιήσει τον μετρητή στο μέλλον.

«Η κοσμολογία κάνει άλμα προς τα εμπρός λόγω της διεπιστημονικής συγχώνευσης εκπληκτικών παρατηρήσεων και σύγχρονων υπολογιστών», λέει. «Η επόμενη δεκαετία υπόσχεται να είναι μια συναρπαστική εποχή στη μελέτη μας για την ιστορική σάρωση του σύμπαντος».

Αναφορά: “Abacus Top: Huge Collection ofΥγεία, Προσομοίωση N-body υψηλής ανάλυσης» των Nina A. Maksimova, Lyman H. Garrison, Daniel J. Eisenstein, Boriana Hadziska, Sunak Bose και Thomas P. Satterthwaite, 7 Σεπτεμβρίου 2021, μ.Περιοδικές ειδοποιήσεις της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας.
DOI: 10.1093/mnras/stab2484

Πρόσθετοι συν-συγγραφείς του Abacus Summit και του Abacus περιλαμβάνουν τον Sihan Yuan του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ, τον Philip Pinto του Πανεπιστημίου της Αριζόνα, τον Sunak Boss του Πανεπιστημίου Durham στην Αγγλία και το Κέντρο Έρευνας στην Αστροφυσική Boriana Hadjiska, Thomas Satterthwaite και Douglas Ferrer. Οι προσομοιώσεις εκτελέστηκαν στον υπερυπολογιστή Summit στο πλαίσιο της αποστολής Advanced Computing Challenge για την Επιστημονική Υπολογιστική Έρευνα.