Om te begrijpen hoe het heelal is ontstaan, hebben astronomen, AbacusSummit, meer dan 160 simulaties gemaakt van hoe zwaartekracht de verdeling van donkere materie vormgeeft.
De onlangs vrijgegeven kosmische simulatie-array is de grootste ooit geproduceerd en registreert samen bijna 60 biljoen deeltjes.
De simulatieset, AbacusSummit genaamd, zal nuttig zijn om de geheimen van het universum te extraheren uit aanstaande onderzoeken van het universum, verwachten de makers. Ze presenteren AbacusSummit in verschillende onderzoekspapers die onlangs zijn gepubliceerd in: Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society.
AbacusSummit is het product van onderzoekers van het Centre for Computational Astrophysics (CCA) van het Flatiron Institute (CCA) in New York City en het Center for Astrophysics | Harvard en Smithsonian. Het bestaat uit meer dan 160 simulaties en laat zien hoe deeltjes in het universum bewegen als gevolg van hun zwaartekracht. Deze modellen, ook wel N-body-simulaties genoemd, leggen het gedrag vast van donkere materie, een mysterieuze en onzichtbare kracht die 27% van het universum uitmaakt en alleen door zwaartekracht op elkaar inwerkt.
De collectie van AbacusSummit omvat honderden simulaties van hoe zwaartekracht de verspreiding van donkere materie door het universum bepaalt. Hier wordt een opname van een van de simulaties getoond op een vergrotingsschaal van 1,2 miljard lichtjaar. De simulaties bootsen de grootschalige structuren van ons universum na, zoals het kosmische web en massieve clusters van sterrenstelsels. Krediet: AbacusSummit-team; Planning en ontwerp: Lucy Reading-Ikanda
zegt Lehman Garrison, hoofdauteur van een van de nieuwe papers en research fellow bij CCA.
Garrison leidde de ontwikkeling van de aanrechtsimulaties samen met afgestudeerde student Nina Maksimova en astronomieprofessor Daniel Eisenstein, die beiden werken bij het Center for Astrophysics. Simulaties werden uitgevoerd op een supercomputer van het Amerikaanse Department of Energy in de Oak Ridge Leadership Computing Facility in Tennessee.
Veel ruimteonderzoeken zullen de komende jaren tot ongekende details van het heelal leiden. Deze donkere energie spectroscopische apparaten omvatten (DESI), de Roman Nancy Grace Space Telescope, het Vera Sea Robin Observatory en het Euclid-ruimtevaartuig. Een van de doelen van deze missies met een groot budget is het verbeteren van de schattingen van de kosmologische en astrofysische parameters die bepalen hoe het universum zich gedraagt en eruitziet.
Wetenschappers zullen deze verbeterde schattingen maken door de nieuwe waarnemingen te vergelijken met computersimulaties van het universum met verschillende waarden voor verschillende parameters – zoals de aard van donkere energie die het universum scheidt.
De teller maakt gebruik van parallelle computerverwerking om de berekeningen van hoe deeltjes bewegen als gevolg van hun zwaartekracht aanzienlijk te versnellen. De sequentiële verwerkingsbenadering (boven) berekent de aantrekkingskracht tussen elk paar deeltjes één voor één. Parallelle verwerking (onderaan) splitst het werk in plaats daarvan over meerdere rekenkernen, waardoor meerdere deeltjesinteracties tegelijkertijd kunnen worden berekend. Krediet: Lucy Reading-Ikkanda Foundation/Simons
“De volgende generatie kosmologische onderzoeken zal het universum tot in detail in kaart brengen en een breed scala aan kosmologische vragen onderzoeken”, zegt Eisenstein, co-auteur van de nieuwe MNRAS-papers. Maar om deze kans te benutten, is een nieuwe generatie ambitieuze numerieke simulaties nodig. Wij geloven dat AbacusSummit een gedurfde stap zal zijn voor de synergie tussen account en ervaring. “
Het tien jaar durende project was een ontmoedigende. N-body-berekeningen – die proberen de bewegingen te berekenen van objecten, zoals planeten, die in wisselwerking staan met de zwaartekracht – zijn sinds de dagen van Isaac Newton de grootste uitdaging op het gebied van natuurkunde. De truc komt van de interactie van elk object met elk ander object, ongeacht de afstand. Dit betekent dat naarmate je meer dingen toevoegt, het aantal interacties snel toeneemt.
Er is geen algemene oplossing voor het N-lichaamsprobleem voor drie of meer massieve lichamen. Beschikbare berekeningen zijn slechts ruwe schattingen. Een veelgebruikte methode is om de tijd te bevriezen, de totale kracht te berekenen die op elk object inwerkt en vervolgens elk element te duwen op basis van de totale kracht die het ervaart. Dan gaat de tijd een beetje vooruit en herhaalt het proces zich.
Met deze aanpak heeft AbacusSummit enorme aantallen deeltjes verwerkt dankzij slimme code, een nieuwe numerieke methode en veel rekenkracht. De Summit-supercomputer was de snelste ter wereld op het moment dat het team de berekeningen uitvoerde; Nog steeds de snelste computer in de VS
Het team ontwierp de codebasis voor Summit AbacusSummit – Abacus genaamd – om optimaal te profiteren van de parallelle verwerkingskracht van Summit, waar veel berekeningen tegelijkertijd kunnen worden uitgevoerd. In het bijzonder beschikt Summit over verschillende GPU’s, of GPU’s, die uitblinken in parallelle verwerking.
Het uitvoeren van N-body-berekeningen met behulp van parallelle verwerking vereist een zorgvuldig ontwerp van algoritmen omdat de hele simulatie een grote hoeveelheid geheugen vereist voor opslag. Dit betekent dat de teller niet alleen kopieën van de simulatie kan maken voor verschillende knooppunten van de supercomputer om aan te werken. In plaats daarvan verdeelt de code elke simulatie in een raster. De initiële berekening geeft een redelijke benadering van de effecten van verre deeltjes op een bepaald punt in de simulatie (die een veel kleinere rol spelen dan nabije deeltjes). De teller groepeert en scheidt vervolgens nabijgelegen cellen, zodat de computer onafhankelijk van elkaar aan elke groep kan werken, waarbij benaderingen van verre deeltjes worden gecombineerd met nauwkeurige berekeningen van nabijgelegen deeltjes.
“Het telleralgoritme past goed bij de mogelijkheden van moderne supercomputers en biedt een zeer regelmatig rekenpatroon voor het enorme parallellisme van gedeelde GPU’s”, zegt Maximova.
Dankzij het ontwerp bereikte de teller zeer hoge snelheden, waarbij 70 miljoen deeltjes per seconde per knooppunt van de Summit-supercomputer werden ververst, terwijl simulaties werden geanalyseerd terwijl ze werden uitgevoerd. Elk deeltje vertegenwoordigt een massa donkere materie die 3 miljard keer de massa van de zon is.
“Onze visie was om deze code te maken om de simulaties te leveren die nodig zijn voor dit gloednieuwe specifieke melkwegonderzoek”, zegt Garrison. “We hebben de code geschreven om simulaties veel sneller en nauwkeuriger dan ooit tevoren te maken.”
Eisenstein, een lid van de DESI-samenwerking – die onlangs begon met zijn onderzoek om een ongekend deel van het universum in kaart te brengen – zegt dat hij de teller in de toekomst graag wil gebruiken.
“De kosmologie maakt een sprong voorwaarts dankzij de interdisciplinaire samensmelting van verbazingwekkende observaties en moderne computers”, zegt hij. “Het volgende decennium belooft een fascinerend tijdperk te worden in onze studie van de historische omvang van het universum.”
Referentie: “Abacus Top: enorme verzameling”Gezondheid, N-body-simulatie met hoge resolutie” door Nina A. Maksimova, Lyman H. Garrison, Daniel J. Eisenstein, Boriana Hadziska, Sunak Bose en Thomas P. Satterthwaite, 7 september 2021, mPeriodieke kennisgevingen van de Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093/mnras/stab2484
Andere co-auteurs van Abacus Summit en Abacus zijn onder meer Sihan Yuan van Stanford University, Philip Pinto van de University of Arizona, Sunak Boss van Durham University in Engeland en het Center for Research in Astrophysics Boriana Hadjiska, Thomas Satterthwaite en Douglas Ferrer. Simulaties werden uitgevoerd op de Summit-supercomputer in het kader van de Advanced Computing Challenge-opdracht voor Scientific Computing Research.
“Reisliefhebber. Onruststoker. Popcultuurfanaat. Kan niet typen met bokshandschoenen aan.”