Астрофізики представили найбільший в історії набір симуляцій Всесвіту

Симуляції AbacusSummit допоможуть вченим вилучити інформацію про Всесвіт із майбутніх космологічних досліджень.

Про це розповідають у Фонді Саймонса.

Нещодавно випущений набір космологічних симуляцій, що нараховує загалом майже 60 трильйонів частинок, є найбільшим із коли-небудь створених.

Набір симуляцій, який отримав назву AbacusSummit, сприятиме вилученню таємниць Всесвіту з майбутніх досліджень космосу, прогнозують його творці. Вони представили AbacusSummit у кількох статтях, опублікованих 25 жовтня у журналі “Щомісячні повідомлення Королівського астрономічного товариства”.

Новини за подібною темою:

		Коливання Марса може бути ознакою темної матерії, говориться в дослідженні
		Темна матерія могла допомогти утворенню надмасивних чорних дір у ранньому Всесвіті
		Нове астрофізичне дослідження вказує на існування невідомого впливу

AbacusSummit був створений дослідниками з Центру обчислювальної астрофізики (CCA) Інституту Флетайрона у Нью-Йорку та Гарвард-Смітсонівського Центру астрофізики. Складаючись з понад ніж 160 симуляцій, він моделює, як гравітаційне притягнення змушує частинки рухатися у всесвіті у формі коробки. Такі моделі, відомі як симулювання N-тіл, зображають поведінку темної матерії, яка становить більшу частину матеріалу Всесвіту й взаємодіє лише через гравітацію.

"Цей набір настільки великий, що, ймовірно, містить більше частинок, ніж в усіх інших симуляціях N-тіл, які коли-небудь запускалися разом — хоча у цьому важко бути впевненим", — говорить Леман Гаррісон, провідний автор однієї з нових робіт та науковий співробітник CCA.

Гаррісон керував розробкою симуляцій AbacusSummit разом з аспіранткою Ніною Максимовою та професором астрономії Даніелем Ейзенштейном – обидва з Центру астрофізики. Симуляції запускалися на суперкомп’ютері Summit Міністерства енергетики США у Комплексі провідних обчислень Ок-Рідж у штаті Теннессі.

AbacusSummit незабаром стане у пригоді, оскільки найближчими роками кілька опитувань створять карти космосу у безпрецедентній детальності. До них належать Спектроскопічний прилад для темної енергії, космічний телескоп Ненсі Грейс Роман та космічний апарат «Евклід». Однією з цілей цих великобюджетних місій є покращення оцінок космічних та астрофізичних параметрів, які визначають поведінку та вигляд Всесвіту.

Набір AbacusSummit містить сотні симуляцій того, як гравітація сформувала розподіл темної матерії у Всесвіті. Тут показано знімок однієї із симуляцій у різних масштабах: 10 мільярдів світлових років у поперечнику, 1,2 мільярда світлових років у поперечнику та 100 мільйонів світлових років у поперечнику. Симуляція відтворює великомасштабні структури нашого Всесвіту, такі як космічне павутиння та колосальні скупчення галактик. (Credit: The AbacusSummit Team; layout and design by Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation)

Вчені зроблять ці покращені оцінки, порівнявши нові спостереження з комп’ютерними симуляціями Всесвіту з різними значеннями різноманітних параметрів, таких як природа темної енергії, яка розсуває Всесвіт. З покращеннями, запропонованими в опитуваннях наступного покоління, виникає потреба в кращих симуляціях, каже Гаррісон.

"Опитування галактик дають надзвичайно детальні карти Всесвіту, і нам потрібні подібні амбітні моделювання, які охоплюють широкий спектр можливих всесвітів, в яких ми могли б жити", - говорить він. "AbacusSummit — це перший набір подібних симуляцій, який володіє широтою та точністю для порівняння з цими дивовижними спостереженнями".

Проєкт був складним. Розрахунки з N-тілами – спроби обчислити рухи об’єктів, як-от планет, що взаємодіють гравітаційно – були одними з найважливіших викликів у галузі фізики з часів Ісаака Ньютона. Вони складні, оскільки кожен об’єкт взаємодіє з усіма іншими об’єктами, незалежно від того, наскільки вони віддалені один від одного. Це означає, що коли ви додаєте більше об’єктів, кількість взаємодій швидко збільшується.

Не існує загального розв’язання проблеми N-тіл для трьох або більше масивних тіл. Доступні розрахунки є лише приблизними. Загальним підходом є заморожування часу, обчислення загальної сили, що діє на кожен об’єкт, а далі підштовхування кожного з них у залежності від чистої сили, яку він відчуває. Потім час трохи зсувається вперед, і процес повторюється.

Використовуючи цей підхід, AbacusSummit упорався з колосальною кількістю частинок завдяки розумному коду, новому чисельному методу та великій обчислювальній потужності. Суперкомп’ютер Summit був найшвидшим у світі на той час, коли команда проводила розрахунки.

Команда розробила свою кодову базу під назвою Abacus, щоб повною мірою використати потужності паралельної обробки Summit, завдяки якій кілька обчислень можуть виконуватися одночасно. Summit може похвалитися великою кількістю графічних процесорів, або GPU, які відмінно підходять для паралельної обробки.

Виконання обчислень N-тіл з використанням паралельної обробки вимагає ретельної розробки алгоритмів, оскільки для зберігання всієї симуляції потрібен значний обсяг пам’яті. Це означає, що Abacus не може просто копіювати симуляції для роботи на різних вузлах суперкомп’ютера. Тому код замість цього розділяє кожну симуляцію решіткою. Початковий розрахунок забезпечує справедливу апроксимацію впливу віддалених частинок у будь-якій заданій точці симуляції. (Віддалені частинки відіграють набагато меншу роль, ніж сусідні частинки.) Потім Abacus групує сусідні клітини та розділяє їх так, щоб комп’ютер міг працювати над кожною групою незалежно, поєднуючи наближені розрахунки віддалених частинок з точними розрахунками сусідніх частинок.

Abacus використовує паралельну комп’ютерну обробку для значного прискорення своїх розрахунків того, як частинки рухаються під дією гравітаційного притягнення. Підхід послідовної обробки (зверху) обчислює гравітаційне притягнення між кожною парою частинок по черзі. Паралельна обробка (внизу) натомість розподіляє роботу між кількома обчислювальними ядрами, що дозволяє обчислювати взаємодію кількох частинок одночасно. (Credit: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation)

Для великих симуляцій дослідники виявили, що підхід Abacus пропонує значне покращення в порівнянні з іншими кодовими базами N-тіл, які ділять симуляції нерівномірно на основі розподілу частинок. Рівномірні розподіли, які використовує AbacusSummit, дозволяють краще використовувати паралельну обробку, повідомляють дослідники. Крім того, рівномірність решітки Abacus дозволяє обчислити велику кількість наближень для віддалених частинок ще до початку симуляції.

Завдяки своїй конструкції, Abacus може оновлювати 70 мільйонів частинок у секунду на вузол суперкомп'ютера Summit (кожна частинка являє собою скупчення темної матерії, маса якої в 3 мільярди разів перевищує масу Сонця). Код може навіть аналізувати симуляцію під час її виконання, шукаючи ділянки темної матерії, які вказують на яскраві зореутворювальні галактики, які будуть у центрі уваги майбутніх досліджень.

“Наше бачення полягало в тому, щоб створити цей код для проведення симуляцій, які необхідні для цього конкретного нового бренду огляду галактик”, — говорить Гаррісон. “Ми написали код, щоб проводити симуляції набагато швидше і точніше, ніж будь-коли”.

Ейзенштейн, який є учасником колаборації Спектроскопічний інструмент для темної енергії, яка нещодавно розпочала своє дослідження для картографування безпрецедентної частини Всесвіту, каже, що він прагне використовувати Abacus в майбутньому.

“Космологія рухається вперед завдяки мультидисциплінарному поєднанню виняткових спостережень і найсучасніших обчислень”, — говорить він. “Найближче десятиліття обіцяє стати чудовою епохою у нашому вивченні історичних масштабів Всесвіту”.

Серед інших співавторів Abacus і AbacusSummit – Сіхан Юань зі Стенфордського університету, Філіп Пінто з Аризонського університету, Соунак Боуз з Даремського університету в Англії та дослідники Центру астрофізики Боряна Хаджійська, Томас Саттертвейт і Дуглас Феррер. Моделювання проводилося на суперкомп'ютері Summit у рамках програми Передові дослідження у галузі наукових обчислень (ASCR) Лідерства в галузі обчислень.

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.

• Темна матерія