Ein Schnappschuss einer der AbacusSummit-Simulationen. (Das AbacusSummit-Team) Die größten Rätsel, vor denen Astronomen und Kosmologen heute stehen, sind die Rolle, die die Anziehungskraft der Schwerkraft und die kosmische Expansion bei der Entwicklung des Universums spielen.
Um diese Rätsel zu lösen, verfolgen Astronomen und Kosmologen einen zweigleisigen Ansatz. Diese bestehen darin, den Kosmos direkt zu beobachten, um diese Kräfte bei der Arbeit zu beobachten und gleichzeitig zu versuchen, theoretische Lösungen für beobachtete Verhaltensweisen zu finden – wie z Dunkle Materie Und dunkle Energie .
Zwischen diesen beiden Ansätzen modellieren Wissenschaftler die kosmische Entwicklung mit Computersimulationen, um zu sehen, ob Beobachtungen mit theoretischen Vorhersagen übereinstimmen. Das Neueste davon ist Abacus-Gipfel , eine Simulationssuite, die vom Flatiron Institute entwickelt wurde Zentrum für Computational Astrophysics (CCA) und die Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA).
Nahezu verarbeitungsfähig 60 Billionen Teilchen Diese Suite ist die größte kosmologische Simulation, die jemals erstellt wurde.
Die Macher von AbacusSummit kündigten die Simulationssuite in einer Reihe von Artikeln an, die im erschienen sind Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society (MNRAS).
Es besteht aus mehr als 160 Simulationen und modelliert, wie sich Partikel aufgrund der Schwerkraftanziehung in einer kastenförmigen Umgebung verhalten. Diese Modelle werden als N-Körper-Simulationen bezeichnet und sind für die Modellierung von wesentlicher Bedeutung Dunkle Materie interagiert mit baryonischer (auch „sichtbarer“) Materie.
Die Entwicklung der AbacusSummit-Simulationssuite wurde von Lehman Garrison (einem CCA-Forschungsmitarbeiter) sowie Nina Maksimova und Daniel Eisenstein, einem Doktoranden bzw. Professor für Astronomie am CfA, geleitet.
Die Simulationen wurden auf dem ausgeführt Summit-Supercomputer Bei der Oak Ridge Leadership Computing Facility (ORLCF) in Tennessee – beaufsichtigt vom US-Energieministerium (DoE).
N-Körper-Berechnungen, bei denen die Gravitationswechselwirkung von Planeten und anderen Objekten berechnet wird, gehören heute zu den größten Herausforderungen, vor denen Astrophysiker stehen.
Ein Teil dessen, was es entmutigend macht, ist, dass jedes Objekt mit jedem anderen Objekt interagiert, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind – je mehr Objekte untersucht werden, desto mehr Interaktionen müssen berücksichtigt werden.
Bisher gibt es noch keine Lösung für N-Körper-Probleme, bei denen drei oder mehr massive Körper beteiligt sind, und die verfügbaren Berechnungen sind lediglich Näherungswerte. Beispielsweise muss die Mathematik zur Berechnung der Wechselwirkung dreier Körper, beispielsweise eines Doppelsternsystems und eines Planeten (bekannt als „Drei-Körper-Problem“), noch gelöst werden.
Ein üblicher Ansatz bei kosmologischen Simulationen besteht darin, die Uhr anzuhalten, die auf jedes Objekt wirkende Gesamtkraft zu berechnen, die Zeit langsam voranzutreiben und zu wiederholen.
Für ihre Forschung (die von Maksimova geleitet wurde) entwarf das Team seine Codebasis (genannt Abacus), um die parallele Verarbeitungsleistung von Summit zu nutzen – wodurch mehrere Berechnungen gleichzeitig ausgeführt werden können.
Sie haben sich auch darauf verlassen maschinelles Lernen Algorithmen und eine neue numerische Methode, die es ihnen ermöglichte, 70 Millionen Partikel pro Knoten/s zu frühen Zeiten und 45 Millionen Partikelaktualisierungen pro Knoten/s zu späten Zeiten zu berechnen.
Wie Garrison kürzlich in einem erklärte CCA-Pressemitteilung :
„Diese Suite ist so groß, dass sie wahrscheinlich mehr Partikel enthält als alle anderen N-Körper-Simulationen, die jemals zusammen durchgeführt wurden – obwohl das eine schwer zu sagende Aussage ist.“ Die Galaxiendurchmusterungen liefern äußerst detaillierte Karten des Universums, und wir benötigen ähnlich anspruchsvolle Simulationen, die ein breites Spektrum möglicher Universen abdecken, in denen wir leben könnten.
„AbacusSummit ist die erste Suite solcher Simulationen, die den Umfang und die Genauigkeit aufweist, die mit diesen erstaunlichen Beobachtungen vergleichbar sind … Unsere Vision war es, diesen Code zu erstellen, um die Simulationen zu liefern, die für diese spezielle neue Art der Galaxiendurchmusterung benötigt werden.“ „Wir haben den Code geschrieben, um die Simulationen viel schneller und genauer als je zuvor durchzuführen.“
Zusätzlich zu den üblichen Herausforderungen erfordert die Durchführung vollständiger Simulationen von N-Körper-Berechnungen aufgrund des gesamten Speicherbedarfs eine sorgfältige Entwicklung der Algorithmen.
Das bedeutet, dass Abacus keine Kopien der Simulation für die Arbeit an verschiedenen Supercomputerknoten erstellen konnte und stattdessen jede Simulation in ein Raster unterteilte. Dabei werden Näherungsberechnungen für entfernte Teilchen durchgeführt, die eine geringere Rolle spielen als nahegelegene.
Anschließend werden die nahegelegenen Partikel in mehrere Zellen aufgeteilt, sodass der Computer jede unabhängig voneinander bearbeiten kann, und dann werden die Ergebnisse jeder Zelle mit der Annäherung an entfernte Partikel kombiniert.
Das Forschungsteam stellte fest, dass dieser Ansatz (gleichmäßige Unterteilungen) die Parallelverarbeitung besser nutzt und es ermöglicht, einen großen Teil der Approximation für entfernte Teilchen zu berechnen, bevor die Simulation beginnt.
Dies ist eine erhebliche Verbesserung gegenüber anderen N-Körper-Codebasen, die Simulationen basierend auf der Partikelverteilung unregelmäßig aufteilen.
Dank seines Designs kann Abacus 70 Millionen Teilchen pro Knoten/Sekunde aktualisieren (wobei jedes Teilchen einen Klumpen dunkler Materie mit drei Milliarden Sonnenmassen darstellt). Es kann auch die laufende Simulation analysieren und nach Flecken dunkler Materie suchen, die auf die Anwesenheit heller Sternentstehungsgalaxien hinweisen.
Diese und andere kosmologische Objekte werden Gegenstand zukünftiger Untersuchungen sein, die den Kosmos in beispielloser Detailgenauigkeit kartieren. Dazu gehören die Spektroskopisches Instrument für dunkle Energie (DESI), die Römisches Weltraumteleskop Nancy Grace (RST) und die ESAs Euklid Raumfahrzeug.
Eines der Ziele dieser Missionen mit großem Budget besteht darin, die Schätzungen der kosmischen und astrophysikalischen Parameter zu verbessern, die bestimmen, wie sich das Universum verhält und wie es aussieht.
Dies wiederum ermöglicht detailliertere Simulationen, die aktualisierte Werte für verschiedene Parameter verwenden, wie z dunkle Energie .
Daniel J. Eisenstein, Forscher am CfA und Co-Autor des Artikels, ist ebenfalls Mitglied der DESI-Kollaboration. Er und andere wie er freuen sich darauf, was Abacus in den kommenden Jahren für diese kosmologischen Untersuchungen tun kann.
„Die Kosmologie macht aufgrund der multidisziplinären Verbindung spektakulärer Beobachtungen und modernster Computertechnik große Fortschritte“, sagte er.
„Das kommende Jahrzehnt verspricht ein wunderbares Zeitalter für unsere Erforschung der historischen Entwicklung des Universums zu werden.“
Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht von Universum heute . Lies das originaler Artikel .