Астрофизиците разкриват най-голямата симулация на Вселената, правена някога – как гравитацията е оформила разпределението на тъмната материя

За да разберат как се е образувала Вселената, астрономите AbacusSummit са създали повече от 160 симулации на това как гравитацията оформя разпределението на тъмната материя.

Новоиздаденият масив за космически симулации е най-големият произвеждан някога, като колективно записва близо 60 трилиона частици.

Симулационният набор, наречен AbacusSummit, ще бъде полезен за извличане на тайните на Вселената от предстоящи проучвания на Вселената, очакват неговите създатели. Те представят AbacusSummit в няколко изследователски статии, публикувани наскоро в Месечни известия на Кралското астрономическо дружество.

AbacusSummit е продукт на изследователи от Центъра за изчислителна астрофизика (CCA) на Flatiron Institute (CCA) в Ню Йорк и Центъра за астрофизика | Харвард и Смитсониан. Състоящ се от повече от 160 симулации, той изобразява как частиците във Вселената се движат поради тяхната гравитация. Тези модели, известни като симулации на N-тяло, улавят поведението на тъмната материя, мистериозна и невидима сила, която съставлява 27% от Вселената и взаимодейства само чрез гравитацията.

Колекцията на AbacusSummit включва стотици симулации на това как гравитацията оформя разпределението на тъмната материя във Вселената. Тук е показан кадър на една от симулациите в мащаб на увеличение от 1,2 милиарда светлинни години. Симулациите възпроизвеждат мащабните структури на нашата вселена, като космическата мрежа и масивните купове от галактики. Кредит: AbacusSummit Team; Планиране и дизайн от Луси Рединг-Иканда

казва Lehman Garrison, водещ автор на една от новите статии и научен сътрудник в CCA.

Гарисън ръководи разработването на симулациите на плота заедно с аспирантката Нина Максимова и професора по астрономия Даниел Айзенщайн, и двамата работят в Центъра по астрофизика. Симулациите бяха извършени на суперкомпютър на Министерството на енергетиката на САЩ в изчислителното съоръжение Oak Ridge Leadership в Тенеси.

Много космически проучвания ще създадат карти на Вселената с безпрецедентни детайли през следващите години. Тези спектроскопски устройства за тъмна енергия включват (DESI), римския космически телескоп Нанси Грейс, обсерваторията Vera Sea Robin и космическия кораб Euclid. Една от целите на тези мисии с голям бюджет е да се подобрят оценките на космологичните и астрофизичните параметри, които определят как се държи и изглежда Вселената.

Учените ще направят тези подобрени оценки, като сравняват новите наблюдения с компютърни симулации на Вселената с различни стойности за различни параметри – като естеството на тъмната енергия, която разделя Вселената.

Броячът се възползва от паралелната компютърна обработка, за да ускори значително изчисленията си за това как се движат частиците поради тяхната гравитация. Подходът на последователната обработка (отгоре) изчислява привличането между всяка двойка частици една по една. Паралелната обработка (в долната част) вместо това разделя работата на множество изчислителни ядра, което позволява едновременното изчисляване на множество взаимодействия на частици. Кредит: Lucy Reading-Ikkanda Foundation/Simons

„Следващото поколение космологични изследвания ще картографират вселената с много детайли и ще изследват широк спектър от космологични въпроси“, казва Айзенщайн, който е съавтор на новите документи на MNRAS. Но използването на тази възможност изисква ново поколение амбициозни числени симулации. Вярваме, че AbacusSummit ще бъде смела стъпка към синергията между акаунт и опит. „

Проектът, продължил десетилетието, беше труден. Изчисленията на N-тела – които се опитват да изчислят движенията на обекти, като планети, взаимодействащи с гравитацията – са предизвикателство номер едно в областта на физиката от дните на Исак Нютон. Номерът идва от взаимодействието на всеки обект с всеки друг обект, независимо от разстоянието му. Това означава, че когато добавяте повече неща, броят на взаимодействията се увеличава бързо.

Няма общо решение на проблема с N-тялото за три или повече масивни тела. Наличните изчисления са само груби оценки. Често срещан метод е да се замрази времето, да се изчисли общата сила, действаща върху всеки обект, и след това да се избута всеки елемент въз основа на общата сила, която изпитва. След това времето се придвижва малко напред и процесът се повтаря.

Използвайки този подход, AbacusSummit е обработил огромен брой частици благодарение на умен код, нов числен метод и много изчислителна мощност. Суперкомпютърът Summit беше най-бързият в света по времето, когато екипът извърши изчисленията; Все още най-бързият компютър в САЩ

Екипът проектира кодовата база за Summit AbacusSummit – наречена Abacus – за да се възползва максимално от мощността на паралелна обработка на Summit, където много изчисления могат да се извършват едновременно. По-специално, Summit може да се похвали с няколко графични процесора или графични процесори, които се отличават с паралелна обработка.

Извършването на изчисления с N-тела, използващи паралелна обработка, изисква внимателно проектиране на алгоритъм, тъй като цялата симулация изисква голямо количество памет за съхранение. Това означава, че броячът може не само да прави копия на симулацията за различни възли на суперкомпютъра, върху които да работи. Вместо това кодът разбива всяка симулация в мрежа. Първоначалното изчисление осигурява справедлива апроксимация на ефектите на далечни частици във всяка дадена точка от симулацията (които играят много по-малка роля от близките частици). След това броячът групира и разделя близките клетки, така че компютърът да може да работи върху всяка група независимо, комбинирайки приближения на отдалечени частици с прецизни изчисления на близките частици.

„Алгоритъмът на брояча се вписва добре с възможностите на съвременните суперкомпютри, осигурявайки много редовен модел на изчисление за масивния паралелизъм на споделените графични процесори“, казва Максимова.

Благодарение на своя дизайн броячът постига много високи скорости, освежавайки 70 милиона частици в секунда на възел на суперкомпютъра Summit, докато анализира симулациите, докато те работят. Всяка частица представлява маса тъмна материя, 3 милиарда пъти масата на Слънцето.

„Нашата визия беше да създадем този код, за да предоставим симулациите, необходими за това чисто ново специфично изследване на галактиката“, казва Гарисън. „Написахме кода, за да направим симулациите много по-бързи и по-точни от всякога.“

Айзенщайн, член на сътрудничеството DESI – което наскоро започна проучването си за картографиране на безпрецедентна част от Вселената – казва, че желае да използва брояча в бъдеще.

„Космологията скача напред поради интердисциплинарното обединяване на удивителни наблюдения и съвременни изчисления“, казва той. „Следващото десетилетие обещава да бъде завладяваща епоха в нашето изследване на историческия размах на Вселената.“

Справка: „Abacus Top: Огромна колекция отЗдраве, Симулация на N-тяло с висока разделителна способност” от Нина А. Максимова, Лайман Х. Гарисън, Даниел Дж. Айзенщайн, Боряна Хаджиска, Сунак Боуз и Томас П. Сатертуейт, 7 септември 2021 г., mПериодични уведомления на Кралското астрономическо дружество.
DOI: 10.1093/mnras/stab2484

Допълнителни съавтори на Abacus Summit и Abacus включват Сихан Юан от Станфордския университет, Филип Пинто от Университета на Аризона, Сунак Бос от университета в Дърам в Англия и Центъра за изследвания в астрофизика Бориана Хаджиска, Томас Сатертуейт и Дъглас Ферер. Симулациите бяха извършени на суперкомпютъра Summit в рамките на задачата Advanced Computing Challenge за научни изследвания в областта на компютърните технологии.