Astrofizikçiler, evrenin şimdiye kadarki en büyük simülasyonunu ortaya koyuyor – yerçekiminin karanlık maddenin dağılımını nasıl şekillendirdiğini

Gökbilimciler AbacusSummit, evrenin nasıl oluştuğunu anlamak için yerçekiminin karanlık maddenin dağılımını nasıl şekillendirdiğine dair 160’tan fazla simülasyon yarattı.

Yeni piyasaya sürülen kozmik simülasyon dizisi, şimdiye kadar üretilmiş en büyük dizidir ve toplu olarak yaklaşık 60 trilyon parçacığı kaydeder.

AbacusSummit adlı simülasyon seti, yaratıcılarının beklediği, evrenin sırlarını gelecek evren araştırmalarından çıkarmak için faydalı olacak. AbacusSummit’i yakın zamanda yayınlanan birkaç araştırma makalesinde sunarlar. Kraliyet Astronomi Derneği’nin Aylık Bildirimleri.

AbacusSummit, Flatiron Enstitüsü’nün (CCA) New York City’deki Hesaplamalı Astrofizik Merkezi (CCA) ve Astrofizik Merkezi’ndeki araştırmacıların ürünüdür | Harvard ve Smithsonian. 160’tan fazla simülasyondan oluşan, evrendeki parçacıkların yerçekimi nedeniyle nasıl hareket ettiğini gösteriyor. N-cisim simülasyonları olarak bilinen bu modeller, evrenin %27’sini oluşturan ve yalnızca yerçekimi ile etkileşime giren gizemli ve görünmez bir güç olan karanlık maddenin davranışını yakalar.

AbacusSummit’in koleksiyonu, yerçekiminin karanlık maddenin evrendeki dağılımını nasıl şekillendirdiğine dair yüzlerce simülasyon içeriyor. Burada, simülasyonlardan birinin anlık görüntüsü 1,2 milyar ışıkyılı büyütme ölçeğinde gösterilmektedir. Simülasyonlar, kozmik ağ ve devasa gökada kümeleri gibi evrenimizin büyük ölçekli yapılarını çoğaltır. Kredi: AbacusSummit Ekibi; Lucy Reading-Ikanda tarafından planlama ve tasarım

CCA’daki yeni makalelerden birinin baş yazarı ve araştırma görevlisi Lehman Garrison diyor.

Garrison, her ikisi de Astrofizik Merkezi’nde çalışan yüksek lisans öğrencisi Nina Maksimova ve astronomi profesörü Daniel Eisenstein ile birlikte tezgah simülasyonlarının geliştirilmesine öncülük etti. Simülasyonlar, Tennessee’deki Oak Ridge Liderlik Hesaplama Tesisinde ABD Enerji Bakanlığı süper bilgisayarında yapıldı.

Pek çok uzay araştırması, önümüzdeki yıllarda benzeri görülmemiş ayrıntılarda evrenin haritalarını üretecek. Bu karanlık enerji spektroskopik cihazları şunları içerir (DESI), Roman Nancy Grace Uzay Teleskobu, Vera Sea Robin Gözlemevi ve Öklid uzay aracı. Bu büyük bütçeli görevlerin bir amacı, evrenin nasıl davrandığını ve göründüğünü belirleyen kozmolojik ve astrofiziksel parametrelerin tahminlerini iyileştirmektir.

Bilim adamları, yeni gözlemleri, evreni ayıran karanlık enerjinin doğası gibi farklı parametreler için farklı değerlere sahip evrenin bilgisayar simülasyonlarıyla karşılaştırarak bu gelişmiş tahminleri yapacaklar.

Sayaç, yerçekimi nedeniyle parçacıkların nasıl hareket ettiğine ilişkin hesaplamalarını büyük ölçüde hızlandırmak için paralel bilgisayar işlemeden yararlanır. Sıralı işleme yaklaşımı (üstte), her bir parçacık çifti arasındaki çekimi tek tek hesaplar. Paralel işleme (altta) bunun yerine, işi birden çok hesaplama çekirdeği arasında bölerek, birden çok parçacık etkileşiminin aynı anda hesaplanmasına olanak tanır. Kredi: Lucy Reading-Ikkanda Vakfı/Simons

Yeni MNRAS makalelerinin ortak yazarlarından Eisenstein, “Yeni nesil kozmolojik araştırmalar, evrenin ayrıntılı bir haritasını çıkaracak ve çok çeşitli kozmolojik soruları keşfedecek” diyor. Ancak bu fırsattan yararlanmak, yeni nesil iddialı sayısal simülasyonlar gerektiriyor. AbacusSummit’in hesap ve deneyim arasındaki sinerji için cesur bir adım olacağına inanıyoruz. “

On yıllık proje göz korkutucuydu. Yerçekimi ile etkileşime giren gezegenler gibi nesnelerin hareketlerini hesaplamaya çalışan N-cisim hesaplamaları, Isaac Newton’dan bu yana fizik alanında bir numaralı zorluk olmuştur. İşin püf noktası, mesafesine bakılmaksızın her nesnenin diğer nesnelerle etkileşiminden gelir. Bu, daha fazla şey ekledikçe etkileşimlerin sayısının hızla arttığı anlamına gelir.

Üç veya daha fazla kütleli cisim için N-cisim problemine genel bir çözüm yoktur. Mevcut hesaplamalar sadece kaba tahminlerdir. Yaygın bir yöntem, zamanı dondurmak, her bir nesneye etki eden toplam kuvveti hesaplamak ve ardından her bir elemanı, maruz kaldığı toplam kuvvete göre itmektir. Sonra zaman biraz ilerler ve süreç tekrar eder.

Bu yaklaşımı kullanan AbacusSummit, akıllı kod, yeni bir sayısal yöntem ve çok fazla bilgi işlem gücü sayesinde çok sayıda parçacığı işledi. Ekip hesaplamaları yaptığı sırada Summit süper bilgisayarı dünyanın en hızlısıydı; Hala ABD’deki en hızlı bilgisayar

Ekip, Summit’in birçok hesaplamanın aynı anda yapılabildiği paralel işlem gücünden tam olarak yararlanmak için Abacus adı verilen Summit AbacusSummit için kod tabanı tasarladı. Özellikle Summit, paralel işlemede mükemmel olan birkaç GPU’ya veya GPU’ya sahiptir.

N-gövdeli hesaplamaları paralel işleme kullanarak çalıştırmak, dikkatli bir algoritma tasarımı gerektirir çünkü simülasyonun tamamı depolama için büyük miktarda bellek gerektirir. Bu, sayacın yalnızca süper bilgisayarın farklı düğümleri üzerinde çalışması için simülasyonun kopyalarını çıkaramayacağı anlamına gelir. Bunun yerine, kod her simülasyonu bir ızgaraya böler. İlk hesaplama, simülasyonun herhangi bir noktasındaki uzak parçacıkların etkilerinin (yakındaki parçacıklardan çok daha küçük bir rol oynayan) adil bir tahminini sağlar. Sayaç daha sonra yakındaki hücreleri gruplar ve ayırır, böylece bilgisayar uzak parçacıkların yaklaşımlarını yakındaki parçacıkların doğru hesaplamalarıyla birleştirerek her grup üzerinde bağımsız olarak çalışabilir.

Maximova, “Sayaç algoritması, modern süper bilgisayarların yeteneklerine çok iyi uyuyor ve paylaşılan GPU’ların devasa paralelliği için çok düzenli bir hesaplama modeli sağlıyor” diyor.

Tasarımı sayesinde sayaç, simülasyonları çalışırken analiz ederken, Summit süper bilgisayarının düğümü başına saniyede 70 milyon parçacığı yenileyerek çok yüksek hızlara ulaştı. Her parçacık, Güneş’in kütlesinin 3 milyar katı bir karanlık madde kütlesini temsil eder.

Garrison, “Vizyonumuz, bu yepyeni özel galaksi araştırması için gereken simülasyonları sunmak için bu kodu oluşturmaktı” diyor. “Simülasyonları her zamankinden daha hızlı ve daha doğru hale getirmek için kodu yazdık.”

Yakın zamanda evrenin benzeri görülmemiş bir bölümünü haritalamak için araştırmasına başlayan DESI işbirliğinin bir üyesi olan Eisenstein, sayacı gelecekte kullanmaya hevesli olduğunu söylüyor.

“Kozmoloji, şaşırtıcı gözlemlerin ve modern hesaplamanın disiplinler arası birleşimi nedeniyle ileriye doğru sıçramaktadır” diyor. “Önümüzdeki on yıl, evrenin tarihsel seyrine ilişkin çalışmamızda büyüleyici bir çağ olacağa benziyor.”

Referans: “Abaküs Üstü: Büyük KoleksiyonSağlık, Yüksek çözünürlüklü N-vücut simülasyonu” Nina A. Maksimova, Lyman H. Garrison, Daniel J. Eisenstein, Boriana Hadziska, Sunak Bose ve Thomas P. Satterthwaite, 7 Eylül 2021, mKraliyet Astronomi Derneği’nin periyodik bildirimleri.
DOI: 10.1093/mnras/stab2484

Abacus Summit ve Abacus’un ek yazarları arasında Stanford Üniversitesi’nden Sihan Yuan, Arizona Üniversitesi’nden Philip Pinto, İngiltere’deki Durham Üniversitesi’nden Sunak Boss ve Astrofizik Araştırma Merkezi Boriana Hadjiska, Thomas Satterthwaite ve Douglas Ferrer yer alıyor. Simülasyonlar, Scientific Computing Research için Advanced Computing Challenge görevi kapsamında Summit süper bilgisayarında çalıştırıldı.