Dnes jsou největšími záhadami, kterým astronomové a kosmologové čelí, role gravitační přitažlivosti a kosmické expanze ve vývoji vesmíru. K vyřešení těchto záhad astronomové a kosmologové používají dvojí přístup. Ty spočívají v přímém pozorování vesmíru za účelem pozorování těchto sil při práci a zároveň se pokoušejí najít teoretická řešení pro pozorované chování – jako např. Temná hmota a Temná energie .
Mezi těmito dvěma přístupy vědci modelují kosmický vývoj pomocí počítačových simulací, aby zjistili, zda jsou pozorování v souladu s teoretickými předpověďmi. Nejnovější z nich je AbacusSummit , simulační sada vytvořená institutem Flatiron Institute Centrum výpočetní astrofyziky (CCA) a Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA). Téměř schopné zpracování 60 bilionů částic Tato sada je největší kosmologickou simulací, jaká kdy byla vytvořena.
Tvůrci AbacusSummit oznámili simulační sadu v sérii dokumentů, které se objevily v Měsíční oznámení Královské astronomické společnosti (MNRAS). Skládá se z více než 160 simulací a modeluje, jak se částice chovají v prostředí ve tvaru krabice vlivem gravitační přitažlivosti. Tyto modely jsou známé jako simulace N-těl a jsou vlastní modelování toho, jak temná hmota interaguje s baryonovou (neboli „viditelnou“) hmotou.
Simulovaná distribuce temné hmoty v galaxiích. Kredit: Brinckmann et al.
Vývoj simulační sady AbacusSummit vedl Lehman Garrison (výzkumný pracovník CCA) a Nina Maksimová a Daniel Eisenstein, postgraduální student a profesor astronomie na CfA (v tomto pořadí). Simulace byly spuštěny na Summit superpočítač na Oak Ridge Leadership Computing Facility (ORLCF) v Tennessee – pod dohledem amerického ministerstva energetiky (DoE).
Výpočty N-těl, které se skládají z výpočtu gravitační interakce planet a dalších objektů, patří mezi největší výzvy, kterým dnes astrofyzici čelí. Část toho, co dělá to skličující, je to, že každý objekt interaguje s každým jiným objektem, bez ohledu na to, jak daleko jsou od sebe – čím více studovaných objektů, tím více interakcí je třeba vzít v úvahu.
K dnešnímu dni stále neexistuje řešení pro problémy s N-tělesy, kde se jedná o tři nebo více masivních těles, a dostupné výpočty jsou pouhými aproximacemi. Například matematika pro výpočet interakce tří těles, jako je binární hvězdný systém a planeta (známá jako „problém tří těles“), musí být ještě vyřešena. Běžným přístupem s kosmologickými simulacemi je zastavení hodin, výpočet celkové síly působící na každý objekt, pomalý posun času vpřed a opakování.
V zájmu svého výzkumu (který vedl Maksimova) tým navrhl svou kódovou základnu (nazvanou Abacus), aby využila paralelního výpočetního výkonu Summit – díky čemuž může současně běžet více výpočtů. Spoléhali se také na algoritmy strojového učení a novou numerickou metodu, která jim umožnila vypočítat 70 milionů částic na uzel/s v raných dobách a 45 milionů aktualizací částic na uzel/s v pozdních dobách.
Snímek jedné ze simulací AbacusSummit zobrazený v různých měřítcích přiblížení: 10 miliard světelných let v průměru, 1,2 miliardy světelných let v průměru a 100 milionů světelných let v průměru. Kredit: The AbacusSummit Team/ layout Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation
Jak Garrison vysvětlil v nedávné tiskové zprávě CCA:
„Tato sada je tak velká, že má pravděpodobně více částic než všechny ostatní simulace N-těl, které kdy byly spuštěny dohromady – i když je těžké si tím být jistý. Průzkumy galaxií přinášejí nesmírně podrobné mapy vesmíru a my potřebujeme podobně ambiciózní simulace, které pokrývají širokou škálu možných vesmírů, ve kterých bychom mohli žít.
„AbacusSummit je první sadou takových simulací, které mají šířku a věrnost k porovnání s těmito úžasnými pozorováními... Naší vizí bylo vytvořit tento kód, který poskytne simulace potřebné pro tuto konkrétní novou značku průzkumu galaxií. Napsali jsme kód, abychom prováděli simulace mnohem rychleji a mnohem přesněji než kdykoli předtím.“
Kromě obvyklých výzev vyžaduje provádění úplných simulací výpočtů N-těl, aby byly algoritmy pečlivě navrženy kvůli veškerému úložišti paměti. To znamená, že Abacus nemohl vytvořit kopie simulace pro různé uzly superpočítače, na kterých by mohly pracovat, a místo toho rozdělil každou simulaci do mřížky. To spočívá v provádění přibližných výpočtů pro vzdálené částice, které hrají menší roli než ty blízké.
Poté rozdělí blízké částice do více buněk, takže počítač může pracovat s každou nezávisle, a poté zkombinuje výsledky každé s aproximací vzdálených částic. Výzkumný tým zjistil, že tento přístup (jednotné dělení) lépe využívá paralelní zpracování a umožňuje vypočítat velké množství aproximace vzdálených částic před zahájením simulace.
Paralelní počítačové zpracování Abacus, vizualizováno. Kredit: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation
Jedná se o významné vylepšení jiných kódových základen N-těl, které nepravidelně rozdělují simulace na základě rozložení částic. Díky svému designu dokáže Abacus aktualizovat 70 milionů částic za uzel/sekundu (kde každá částice představuje shluk temné hmoty se třemi miliardami slunečních hmot). Může také analyzovat simulaci během jejího běhu a hledat skvrny temné hmoty, které naznačují přítomnost jasných hvězdotvorných galaxií.
Tyto a další kosmologické objekty budou předmětem budoucích průzkumů, které mapují kosmos do nevídaných detailů. Mezi ně patří Spektroskopický přístroj temné energie (DESI), Římský vesmírný dalekohled Nancy Grace (RST) a ESA Euklides kosmická loď. Jedním z cílů těchto velkorozpočtových misí je zlepšit odhady kosmických a astrofyzikálních parametrů, které určují, jak se vesmír chová a jak vypadá.
To zase umožní podrobnější simulace, které využívají aktualizované hodnoty pro různé parametry, jako je temná energie. Daniel J. Eisenstein, vědecký pracovník CfA a spoluautor příspěvku, je také členem DESI kolaborace. On a jemu podobní se těší na to, co Abacus může udělat pro tyto kosmologické průzkumy v příštích letech.
'Kosmologie letí kupředu díky multidisciplinárnímu spojení velkolepých pozorování a nejmodernější výpočetní techniky,' řekl. 'Nadcházející desetiletí slibuje, že bude úžasným věkem v našem studiu historického pohybu vesmíru.'
Další čtení: Simons Foundation , MNRAS
