Danas su najveće misterije s kojima se astronomi i kozmolozi suočavaju uloge gravitacijske privlačnosti i kozmičkog širenja u evoluciji svemira. Kako bi razriješili ove misterije, astronomi i kozmolozi koriste dvosmjerni pristup. Oni se sastoje od izravnog promatranja kozmosa kako bi se promatrale te sile na djelu, dok se pokušavaju pronaći teoretska rješenja za promatrana ponašanja – kao što je Tamna materija i Tamna energija .
Između ova dva pristupa, znanstvenici modeliraju kozmičku evoluciju računalnim simulacijama kako bi vidjeli jesu li promatranja usklađena s teorijskim predviđanjima. Najnovija od kojih je AbacusSummit , simulacijski paket koji je izradio Flatiron Institute Centar za računsku astrofiziku (CCA) i Harvard-Smithsonian centar za astrofiziku (CfA). Gotovo sposoban za obradu 60 trilijuna čestica , ovaj paket je najveća kozmološka simulacija ikad proizvedena.
Kreatori AbacusSummita najavili su simulacijski paket u nizu radova koji su se pojavili u Mjesečne obavijesti Kraljevskog astronomskog društva (MNRAS). Sastavljen od više od 160 simulacija, modelira kako se čestice ponašaju u okruženju u obliku kutije zbog gravitacijske privlačnosti. Ovi su modeli poznati kao simulacije N-tijela i svojstveni su modeliranju interakcije tamne tvari s barionskom (poznato kao 'vidljivo') materijom.
Simulirana raspodjela tamne tvari u galaksijama. Zasluge: Brinckmann et al.
Razvoj simulacijskog paketa AbacusSummit vodili su Lehman Garrison (znanstveni suradnik CCA) te Nina Maksimova i Daniel Eisenstein, diplomirani student i profesor astronomije s CfA (odnosno). Simulacije su provedene na Summit superračunalo kod Oak Ridge Leadership Computing Facility (ORLCF) u Tennesseeju – nadzire Ministarstvo energetike SAD-a (DoE).
Proračuni N-tijela, koji se sastoje od izračunavanja gravitacijske interakcije planeta i drugih objekata, među najvećim su izazovima s kojima se astrofizičari danas suočavaju. Dio onoga što ga čini zastrašujućim jest to što svaki objekt stupa u interakciju sa svakim drugim objektom, bez obzira koliko su udaljeni – što se više objekata proučava, to je više interakcija koje treba uzeti u obzir.
Do danas još uvijek ne postoji rješenje za probleme N-tijela gdje su uključena tri ili više masivnih tijela, a dostupni su izračuni samo aproksimacije. Na primjer, matematika za izračunavanje interakcije triju tijela, kao što su binarni zvjezdani sustav i planet (poznat kao 'Problem s tri tijela'), tek treba biti riješena. Uobičajeni pristup kozmološkim simulacijama je zaustavljanje sata, izračunavanje ukupne sile koja djeluje na svaki objekt, polagano pomicanje vremena naprijed i ponavljanje.
Radi svog istraživanja (koje je vodila Maksimova), tim je dizajnirao svoju kodnu bazu (nazvanu Abacus) kako bi iskoristila prednost Summitove paralelne procesorske snage – pri čemu se više izračuna može izvoditi istovremeno. Također su se oslanjali na algoritme strojnog učenja i novu numeričku metodu, koja im je omogućila da izračunaju 70 milijuna čestica po čvoru/s u ranim vremenima i 45 milijuna ažuriranja čestica po čvoru/s u kasnijim vremenima.
Snimka jedne od simulacija AbacusSummita, prikazana na različitim skalama zumiranja: 10 milijardi svjetlosnih godina u prečniku, 1,2 milijarde svjetlosnih godina u prečniku i 100 milijuna svjetlosnih godina u prečniku. Zasluge: Tim AbacusSummit/ izgled Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation
Kao što je Garrison objasnio u nedavnom priopćenju CCA:
“Ovaj paket je toliko velik da vjerojatno ima više čestica od svih ostalih simulacija N-tijela koje su ikada izvedene zajedno – iako je to teško biti siguran. Istraživanja galaksija daju iznimno detaljne karte svemira i potrebne su nam slične ambiciozne simulacije koje pokrivaju širok raspon mogućih svemira u kojima bismo mogli živjeti.
“AbacusSummit je prvi paket takvih simulacija koji ima širinu i vjernost za usporedbu s ovim nevjerojatnim opažanjima... Naša vizija je bila stvoriti ovaj kod za isporuku simulacija koje su potrebne za ovu posebnu novu marku istraživanja galaksije. Napisali smo kod za izvođenje simulacija mnogo brže i mnogo točnije nego ikad prije.”
Uz uobičajene izazove, izvođenje potpune simulacije izračunavanja N-tijela zahtijeva da algoritmi budu pažljivo dizajnirani zbog sve uključene memorije. To znači da Abacus nije mogao napraviti kopije simulacije za različite čvorove superračunala za rad i umjesto toga podijelio je svaku simulaciju u mrežu. To se sastoji od približnih izračuna za udaljene čestice, koje imaju manju ulogu od onih u blizini.
Zatim dijeli obližnje čestice na više ćelija tako da računalo može raditi na svakoj neovisno, a zatim kombinira rezultate svake s aproksimacijom udaljenih čestica. Istraživački je tim otkrio da ovaj pristup (uniformne podjele) bolje koristi paralelnu obradu i omogućuje izračunavanje velike količine aproksimacije udaljenih čestica prije početka simulacije.
Abacusova paralelna računalna obrada, vizualizirana. Zasluge: Zaklada Lucy Reading-Ikkanda/Simons
Ovo je značajno poboljšanje u odnosu na druge kodne baze N-tijela, koje nepravilno dijele simulacije na temelju raspodjele čestica. Zahvaljujući svom dizajnu, Abacus može ažurirati 70 milijuna čestica po čvoru/sekundi (gdje svaka čestica predstavlja nakupinu tamne materije s tri milijarde solarnih masa). Također može analizirati simulaciju dok radi i tražiti mrlje tamne materije koje ukazuju na prisutnost svijetlih galaksija koje stvaraju zvijezde.
Ovi i drugi kozmološki objekti bit će predmet budućih istraživanja koja mapiraju kozmos s neviđenim detaljima. To uključuje Spektroskopski instrument tamne energije (DESI), the Rimski svemirski teleskop Nancy Grace (RST) i ESA-e Euklid letjelica. Jedan od ciljeva ovih velikoproračunskih misija je poboljšati procjene kozmičkih i astrofizičkih parametara koji određuju kako se svemir ponaša i kako izgleda.
To će zauzvrat omogućiti detaljnije simulacije koje koriste ažurirane vrijednosti za različite parametre, kao što je tamna energija. Daniel J. Eisenstein, istraživač s CfA i koautor rada, također je član DESI suradnje. On i drugi poput njega raduju se što Abacus može učiniti za ova kozmološka istraživanja u nadolazećim godinama.
'Kozmologija skače naprijed zbog multidisciplinarnog spoja spektakularnih promatranja i najsuvremenijeg računalstva', rekao je. “Nadolazeće desetljeće obećava da će biti prekrasno doba u našem proučavanju povijesnog zamaha svemira.”
Daljnje čitanje: Zaklada Simons , MNRAS
