Астрофизики раскрывают крупнейшее из когда-либо созданных симуляторов Вселенной — как гравитация повлияла на распределение темной материи.

Чтобы понять, как образовалась Вселенная, астрономы AbacusSummit создали более 160 симуляций того, как гравитация формирует распределение темной материи.

Недавно выпущенный массив космических симуляторов является крупнейшим из когда-либо созданных и в совокупности регистрирует почти 60 триллионов частиц.

Набор для моделирования под названием AbacusSummit, как ожидают его создатели, будет полезен для извлечения секретов вселенной из предстоящих исследований вселенной. Они представляют AbacusSummit в нескольких исследовательских работах, недавно опубликованных в Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества.

AbacusSummit — продукт исследователей Центра вычислительной астрофизики (CCA) Института Флэтайрон (CCA) в Нью-Йорке и Центра астрофизики | Гарвард и Смитсоновский институт. Состоящий из более чем 160 симуляций, он показывает, как частицы во Вселенной движутся под действием силы тяжести. Эти модели, известные как моделирование N-тел, отражают поведение темной материи, таинственной и невидимой силы, которая составляет 27% Вселенной и взаимодействует только посредством гравитации.

Коллекция AbacusSummit включает сотни симуляций того, как гравитация формирует распределение темной материи во Вселенной. Здесь показан снимок одной из симуляций с увеличением 1,2 миллиарда световых лет. Моделирование воспроизводит крупномасштабные структуры нашей Вселенной, такие как космическая паутина и массивные скопления галактик. Предоставлено: команда AbacusSummit; Планирование и дизайн Люси Ридинг-Иканда.

— говорит Леман Гаррисон, ведущий автор одной из новых статей и научный сотрудник CCA.

Гаррисон руководил разработкой моделирования столешницы вместе с аспирантом Ниной Максимовой и профессором астрономии Дэниелом Эйзенштейном, которые работают в Центре астрофизики. Моделирование проводилось на суперкомпьютере Министерства энергетики США в офисе компании Oak Ridge Leadership Computing Facility в Теннесси.

В ближайшие годы многие космические исследования позволят получить карты Вселенной с беспрецедентной детализацией. Эти спектроскопические устройства темной энергии включают в себя (DESI), космический телескоп Романа Нэнси Грейс, обсерватория Вера Си Робин и космический корабль Евклид. Одна из целей этих высокобюджетных миссий — улучшить оценки космологических и астрофизических параметров, которые определяют поведение и внешний вид Вселенной.

Ученые сделают эти улучшенные оценки, сравнивая новые наблюдения с компьютерным моделированием Вселенной с разными значениями для разных параметров, таких как природа темной энергии, которая разделяет Вселенную.

Счетчик использует преимущества параллельной компьютерной обработки, чтобы значительно ускорить вычисления того, как частицы движутся под действием их силы тяжести. Подход последовательной обработки (вверху) вычисляет притяжение между каждой парой частиц одну за другой. Вместо этого параллельная обработка (внизу) распределяет работу между несколькими вычислительными ядрами, позволяя одновременно вычислять взаимодействия нескольких частиц. Предоставлено: Фонд Люси Ридинг-Икканда / Саймонс.

«Следующее поколение космологических обзоров позволит составить детальную карту Вселенной и исследовать широкий круг космологических вопросов», — говорит Эйзенштейн, который является соавтором новых статей MNRAS. Но для того, чтобы воспользоваться этой возможностью, требуется новое поколение масштабных численных моделей. Мы считаем, что AbacusSummit станет смелым шагом на пути к синергии между аккаунтом и опытом. «

Десятилетний проект был устрашающим. Вычисления N-тел, которые пытаются вычислить движения объектов, таких как планеты, взаимодействующие с гравитацией, были проблемой номер один в области физики со времен Исаака Ньютона. Уловка заключается во взаимодействии каждого объекта с любым другим объектом, независимо от расстояния до него. Это означает, что по мере того, как вы добавляете больше вещей, количество взаимодействий быстро увеличивается.

Не существует общего решения проблемы N тел для трех и более массивных тел. Имеющиеся расчеты — это лишь приблизительные оценки. Распространенный метод — заморозить время, вычислить общую силу, действующую на каждый объект, а затем толкнуть каждый элемент в зависимости от общей силы, которую он испытывает. Затем время немного движется вперед, и процесс повторяется.

Используя этот подход, AbacusSummit обработал огромное количество частиц благодаря продуманному коду, новому числовому методу и большой вычислительной мощности. Суперкомпьютер Summit был самым быстрым в мире на момент проведения расчетов; По-прежнему самый быстрый компьютер в США.

Команда разработала кодовую базу для Summit AbacusSummit, получившую название Abacus, чтобы в полной мере использовать возможности параллельной обработки Summit, где можно выполнять множество вычислений одновременно. В частности, Summit может похвастаться несколькими графическими процессорами, или графическими процессорами, которые отлично справляются с параллельной обработкой.

Выполнение вычислений N тел с использованием параллельной обработки требует тщательного проектирования алгоритма, поскольку для всего моделирования требуется большой объем памяти для хранения. Это означает, что счетчик может не только делать копии моделирования для разных узлов суперкомпьютера, чтобы работать с ними. Вместо этого код разбивает каждую симуляцию на сетку. Первоначальный расчет обеспечивает хорошее приближение эффектов удаленных частиц в любой заданной точке моделирования (которые играют гораздо меньшую роль, чем близлежащие частицы). Затем счетчик группирует и разделяет соседние ячейки, чтобы компьютер мог работать с каждой группой независимо, комбинируя приближения далеких частиц с точными вычислениями ближайших частиц.

«Алгоритм счетчика хорошо сочетается с возможностями современных суперкомпьютеров, обеспечивая очень регулярную схему вычислений для массового параллелизма общих графических процессоров», — говорит Максимова.

Благодаря своей конструкции счетчик достиг очень высоких скоростей, обновляя 70 миллионов частиц в секунду на каждый узел суперкомпьютера Summit, одновременно анализируя симуляции во время их работы. Каждая частица представляет собой массу темной материи, в 3 миллиарда раз превышающую массу Солнца.

«Наше видение состояло в том, чтобы создать этот код для моделирования, необходимого для этого совершенно нового исследования галактики», — говорит Гаррисон. «Мы написали код, чтобы сделать моделирование намного быстрее и точнее, чем когда-либо прежде».

Эйзенштейн, член коллаборации DESI, которая недавно начала свое исследование с целью нанести на карту беспрецедентную часть Вселенной, говорит, что он хочет использовать счетчик в будущем.

«Космология делает рывок вперед благодаря междисциплинарному слиянию удивительных наблюдений и современных вычислений», — говорит он. «Следующее десятилетие обещает быть захватывающим веком в нашем исследовании исторического размаха Вселенной».

Ссылка: «Abacus Top: Огромная коллекцияЗдоровье, Моделирование N-тела с высоким разрешением »Нина А. Максимова, Лайман Х. Гаррисон, Дэниел Дж. Эйзенштейн, Бориана Хадзиска, Сунак Бозе и Томас П. Саттертуэйт, 7 сентября 2021 г., мПериодические уведомления Королевского астрономического общества.
DOI: 10.1093 / mnras / stab2484

Среди других соавторов Abacus Summit и Abacus — Сихан Юань из Стэнфордского университета, Филип Пинто из Университета Аризоны, Сунак Босс из Даремского университета в Англии и Центр исследований в области астрофизики Бориана Хаджиска, Томас Саттертуэйт и Дуглас Феррер. Моделирование проводилось на суперкомпьютере Summit в рамках задания Advanced Computing Challenge для научных исследований в области вычислительной техники.