Астрофизики представили самый большой в истории набор симуляций Вселенной

Симуляции AbacusSummit помогут ученым извлечь информацию о Вселенной из будущих космологических исследований.

Об этом рассказывают в Фонде Саймонса.

Недавно выпущенный набор космологических симуляций, насчитывающий в общей сложности почти 60 триллионов частиц, является самым крупным из когда-либо созданных.

Набор симуляций, получивший название AbacusSummit, будет способствовать извлечению тайн Вселенной из будущих исследований космоса, прогнозируют его создатели. Они представили AbacusSummit в нескольких статьях, опубликованных 25 октября в журнале Ежемесячные сообщения Королевского астрономического общества.

Новости по подобной теме:

		Вокруг Млечного Пути обнаружена странная звездная система
		Новое исследование показывает, что нашей Вселенной не обязательна темная материя
		Астрономы установили влияние темной материи на эволюцию галактик

AbacusSummit был создан исследователями из Центра вычислительной астрофизики (CCA) Института Флэтайрона в Нью-Йорке и Гарвард-Смитсоновского Центра астрофизики. Состоя из более чем 160 симуляций, он моделирует, как гравитационное притяжение заставляет частицы двигаться во вселенной в форме коробки. Такие модели, известные как симулирование N-тел, изображают поведение темной материи, составляющей большую часть материала Вселенной и взаимодействующей только через гравитацию.

"Этот набор настолько велик, что, вероятно, содержит больше частиц, чем во всех других симуляциях N-тел, когда-либо запускавшихся вместе — хотя в этом трудно быть уверенным", - говорит Леман Гаррисон, ведущий автор одной из новых работ и научный сотрудник CCA.

Гаррисон руководил разработкой симуляций AbacusSummit вместе с аспиранткой Ниной Максимовой и профессором астрономии Даниэлем Эйзенштейном – оба из Центра астрофизики. Симуляции запускались на суперкомпьютере Summit Министерства энергетики США в Комплексе ведущих вычислений Ок-Ридж в штате Теннесси.

AbacusSummit скоро пригодится, поскольку в ближайшие годы несколько опросов создадут карты космоса в беспрецедентной детальности. К ним относятся Спектроскопический прибор для темной энергии, космический телескоп Нэнси Грейс Роман и космический аппарат «Евклид». Одной из целей этих крупнобюджетных миссий является улучшение оценок космических и астрофизических параметров, определяющих поведение и вид Вселенной.

Набор AbacusSummit включает в себя сотни симуляций того, как гравитация сформировала распределение темной материи во Вселенной. Здесь показан снимок одной из симуляций в разных масштабах: 10 миллиардов световых лет в поперечнике, 1,2 миллиарда световых лет в поперечнике и 100 миллионов световых лет в поперечнике. Симуляция воспроизводит крупномасштабные структуры нашей Вселенной, такие как космическая паутина и колоссальные скопления галактик. (Credit: The AbacusSummit Team; layout and design by Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation)

Ученые сделают эти улучшенные оценки, сравнив новые наблюдения с компьютерными симуляциями Вселенной с разными значениями различных параметров, таких как природа темной энергии, которая раздвигает Вселенную. С улучшениями, предложенными в опросах следующего поколения, возникает потребность в лучших симуляциях, говорит Гаррисон.

"Опросы галактик дают чрезвычайно подробные карты Вселенной, и нам нужны подобные амбициозные моделирования, охватывающие широкий спектр возможных вселенных, в которых мы могли бы жить", - говорит он. "AbacusSummit – это первый набор подобных симуляций, обладающий широтой и точностью для сравнения с этими удивительными наблюдениями".

Проект был сложным. Расчеты с N-телами — попытки вычислить движения объектов, таких как взаимодействующие гравитационо планеты — были одними из важнейших вызовов в области физики со времен Исаака Ньютона. Они сложны, поскольку каждый объект взаимодействует со всеми другими объектами независимо от того, насколько они удалены друг от друга. Это означает, что когда вы добавляете больше объектов, количество взаимодействий быстро увеличивается.

Не существует общего решения проблемы N-тел для трех или более массивных тел. Доступные расчеты только приблизительны. Общим подходом является замораживание времени, вычисление общей силы, действующей на каждый объект, а затем подталкивание каждого из них в зависимости от ощущаемой им чистой силы. Потом время немного сдвигается вперед, и процесс повторяется.

Используя этот подход, AbacusSummit справился с колоссальным количеством частиц благодаря разумному коду, новому численному методу и большой вычислительной мощности. Суперкомпьютер Summit был самым быстрым в мире в то время, когда команда производила расчеты.

Команда разработала свою кодовую базу под названием Abacus, чтобы в полной мере использовать мощности параллельной обработки Summit, благодаря которой несколько вычислений могут выполняться одновременно. Summit может похвастаться большим количеством графических процессоров, или GPU, которые отлично подходят для параллельной обработки.

Выполнение вычислений N-тел с использованием параллельной обработки требует тщательной разработки алгоритмов, поскольку для хранения всей симуляции требуется значительный объем памяти. Это означает, что Abacus не может просто копировать симуляции для работы на разных узлах суперкомпьютера. Поэтому код вместо этого разделяет каждую симуляцию решеткой. Начальный расчет обеспечивает справедливую аппроксимацию влияния удаленных частиц в любой заданной точке симуляции. (Удаленные частицы играют гораздо меньшую роль, чем соседние частицы.) Затем Abacus группирует соседние клетки и разделяет их так, чтобы компьютер мог работать над каждой группой независимо, сочетая приближенные расчеты удаленных частиц с точными расчетами соседних частиц.

Abacus использует параллельную компьютерную обработку для значительного ускорения своих расчетов того, как частицы двигаются под действием гравитационного притяжения. Подход последовательной обработки (сверху) вычисляет гравитационное притяжение между каждой парой частиц поочередно. Параллельная обработка (внизу) распределяет работу между несколькими вычислительными ядрами, что позволяет вычислять взаимодействие нескольких частиц одновременно. (Credit: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation)

Для больших симуляций исследователи обнаружили, что подход Abacus предлагает значительное улучшение по сравнению с другими кодовыми базами N-тел, делящими симуляции неравномерно на основе распределения частиц. Равномерные распределения, используемые AbacusSummit, позволяют лучше использовать параллельную обработку, сообщают исследователи. Кроме того, равномерность решетки Abacus позволяет вычислить большое количество приближений для удалённых частиц еще до начала симуляции.

Благодаря своей конструкции Abacus может обновлять 70 миллионов частиц в секунду на узел суперкомпьютера Summit (каждая частица представляет собой скопление темной материи, масса которой в 3 миллиарда раз превышает массу Солнца). Код может даже анализировать симуляцию во время ее выполнения, ища участки темной материи, указывающие на яркие звездообразующие галактики, которые будут в центре внимания будущих исследований.

"Наше видение заключалось в том, чтобы создать этот код для проведения симуляций, которые необходимы для этого конкретного нового бренда обзора галактик", - говорит Гаррисон. "Мы написали код, чтобы проводить симуляции гораздо быстрее и точнее, чем когда-либо".

Эйзенштейн, участник коллаборации Спектроскопический инструмент для темной энергии, которая недавно начала свое исследование для картографирования беспрецедентной части Вселенной, говорит, что он стремится использовать Abacus в будущем.

"Космология двигается вперед благодаря мультидисциплинарному сочетанию исключительных наблюдений и современных вычислений", - говорит он. "Ближайшее десятилетие обещает стать великолепной эпохой в нашем изучении исторических масштабов Вселенной".

Среди других соавторов Abacus и AbacusSummit – Сихан Юань из Стэнфордского университета, Филипп Пинто из Аризонского университета, Соунак Боуз из Даремского университета в Англии и исследователи Центра астрофизики Боряна Хаджийская, Томас Саттертвейт и Дуглас Феррер. Моделирование проводилось на суперкомпьютере Summit в рамках программы Передовые исследования в области научных вычислений (ASCR) Лидерства в области вычислений.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.

• Темная материя