Simulatie van het gigantische universum dat miljarden lichtjaren beslaat, is de grootste ooit

Tegenwoordig zijn de grootste puzzels waarmee astronomen en kosmologen worden geconfronteerd, de rol die zwaartekracht en kosmische expansie spelen in de evolutie van het universum.

Om deze mysteries op te lossen, volgen astronomen en kosmologen een tweeledige benadering. Deze bestaan ​​uit het rechtstreeks observeren van het universum om deze krachten in actie te observeren terwijl we proberen theoretische oplossingen te vinden voor het waargenomen gedrag – zoals: donkere materie En donkere energie.

Tussen deze twee benaderingen modelleren wetenschappers kosmische evolutie met behulp van computersimulaties om te zien of de waarnemingen in overeenstemming zijn met theoretische voorspellingen. De laatste is aanrechtblad, een simulatiesuite gemaakt door het Flatiron Institute Centrum voor Computational Astrofysica (CCA) en Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA).

In staat om ongeveer te verwerken: 60 biljoen deeltjesDeze suite is de grootste kosmische simulatie die ooit is geproduceerd.

De makers van AbacusSummit hebben de simulatiesuite aangekondigd in een reeks artikelen die zijn verschenen in Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society (MNRAS).

Bestaande uit meer dan 160 simulaties, toont het hoe deeltjes zich gedragen in een doosvormige omgeving als gevolg van zwaartekracht. Deze modellen staan ​​bekend als N-body-simulaties en zijn essentieel voor het modelleren van hoe donkere materie Het interageert met baryonisch (ook bekend als “zichtbaar”).

De ontwikkeling van de AbacusSummit-simulatiegroep werd geleid door Lehman Garrison (CCA Research Fellow) en Nina Maksimova en Daniel Eisenstein, afgestudeerde student en hoogleraar astronomie aan respectievelijk CfA.

Simulaties lopen door Top supercomputer In de Oak Ridge Driving Computing Facility (ORLCF) in Tennessee – onder toezicht van het Amerikaanse ministerie van Energie (DoE).

N-body-berekeningen, die bestaan ​​uit het berekenen van de zwaartekrachtinteractie van planeten en andere lichamen, behoren tot de grootste uitdagingen waarmee astrofysici tegenwoordig worden geconfronteerd.

Een deel van wat het ontmoedigend maakt, is dat elk object interageert met elk ander object, ongeacht hoe ver ze van elkaar verwijderd zijn – hoe meer objecten die worden bestudeerd, hoe meer interacties er in aanmerking moeten worden genomen.

Tot nu toe is er nog steeds geen oplossing voor N-lichaamsproblemen waarbij drie of meer mega-objecten betrokken zijn, en de beschikbare berekeningen zijn slechts benaderingen. De wiskunde van het berekenen van de interactie van drie lichamen, zoals een dubbelstersysteem en een planeet (bekend als het “drielichamenprobleem”), is bijvoorbeeld nog niet opgelost.

Een veelgebruikte methode in kosmologische simulaties is om de klok te stoppen, de totale kracht te berekenen die op elk object inwerkt, de tijd langzaam vooruit te zetten en te herhalen.

Voor hun onderzoek (onder leiding van Maksimova) ontwierp het team hun eigen codebasis (genaamd Abacus) om te profiteren van de parallelle verwerkingskracht van Summit – waar veel berekeningen tegelijkertijd kunnen worden uitgevoerd.

Ze vertrouwden ook op machine learning Algoritmen en een nieuwe scalaire methode, waardoor ze in de begintijd 70 miljoen deeltjes per knoop/sec konden tellen en in de latere tijden 45 miljoen deeltjesupdates per knoop/sec.

Zoals Garrison onlangs opmerkte CCA-persbericht:

“Deze groep is zo groot dat het waarschijnlijk meer deeltjes bevat dan alle andere N-lichaamsimulaties die samen zijn gedaan – hoewel dit een moeilijke verklaring is om vast te stellen. Galactische onderzoeken leveren zeer gedetailleerde kaarten van het universum op, en we hebben een vergelijkbare ambitieuze simulatie die een breed scala aan mogelijke universums omvat waarin we kunnen leven.

“AbacusSummit is de eerste reeks simulaties die zo breed en nauwkeurig is om te vergelijken met deze verbazingwekkende waarnemingen… Onze visie was om deze code te maken om de simulaties te leveren die nodig zijn voor dit gloednieuwe galactische onderzoek. We schreven de code om de simulaties veel sneller en nauwkeuriger dan ooit.”

Naast de gebruikelijke uitdagingen, vereist het uitvoeren van volledige simulaties van N-body-berekeningen dat de algoritmen zorgvuldig worden ontworpen vanwege alle betrokken geheugenopslag.

Dit betekent dat Abacus geen kopieën van de simulatie kon maken voor verschillende supercomputerknooppunten om aan te werken en in plaats daarvan elke simulatie in een netwerk kon splitsen. Dit bestaat uit het maken van benaderende berekeningen van verre deeltjes, die een kleinere rol spelen dan nabije deeltjes.

Vervolgens splitst het aangrenzende deeltjes in meerdere cellen zodat een computer op elk afzonderlijk kan werken, en combineert vervolgens de resultaten van elk door de verdere deeltjes te benaderen.

Het onderzoeksteam ontdekte dat deze (uniforme onderverdelingen) benadering beter gebruik maakt van parallelle verwerking en het mogelijk maakt om een ​​groot aantal benaderingen van verre deeltjes te berekenen voordat de simulatie begint.

Dit is een aanzienlijke verbetering ten opzichte van andere N-body-codebases, die simulaties onregelmatig breken op basis van deeltjesverdeling.

Dankzij het ontwerp kan de teller elke knoop/seconde 70 miljoen deeltjes bijwerken (waarbij elk deeltje een massa donkere materie vertegenwoordigt met drie miljard zonsmassa’s). Het kan ook simulaties analyseren terwijl ze rennen en zoeken naar plekken met donkere materie die wijzen op de aanwezigheid van heldere sterrenstelsels die sterren vormen.

Deze en andere kosmische objecten zullen het onderwerp zijn van toekomstige studies die het universum in ongekend detail in kaart brengen. Waaronder Donkere Energie Spectrofotometer (DESI), en Nancy Grace Roman Ruimtetelescoop (RST) en ESA’s Euclides Ruimte schip.

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.

Dit zal op zijn beurt meer gedetailleerde simulaties mogelijk maken die bijgewerkte waarden gebruiken voor verschillende parameters, zoals: donkere energie.

Daniël C. Eisenstein, een CfA-onderzoeker en co-auteur van het artikel, is ook lid van de DESI-samenwerking. Hij en anderen zoals hij kijken uit naar wat de teller de komende jaren voor deze kosmische onderzoeken kan doen.

“De kosmologie maakt een sprong voorwaarts dankzij de interdisciplinaire samensmelting van verbazingwekkende observaties en moderne computers”, zei hij.

“Het volgende decennium belooft een fascinerend tijdperk te worden in onze studie van de historische omvang van het universum.”

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd door universum vandaag. Lees de origineel artikel.