Heute sind die größten Rätsel, denen sich Astronomen und Kosmologen gegenübersehen, die Rolle der Gravitationsanziehung und der kosmischen Expansion bei der Entwicklung des Universums.
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, während versucht wird, theoretische Auflösungen für beobachtetes Verhalten zu finden – wie dunkle Materie und dunkle Energie.
Zwischen diesen beiden Ansätzen modellieren Wissenschaftler die kosmische Evolution mit Computersimulationen, um zu sehen, ob die Beobachtungen mit theoretischen Vorhersagen übereinstimmen. Das neueste davon ist AbacusSummit, eine Simulationssuite, die vom Center for Computational Astrophysics (CCA) des Flatiron Institute und dem Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) entwickelt wurde.
Diese Suite kann fast 60 Billionen Partikel verarbeiten und ist die größte kosmologische Simulation, die jemals produziert wurde.
Die Macher von AbacusSummit kündigten die Simulationssuite in einer Reihe von Artikeln an, die in der Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society (MNRAS).
Es besteht aus mehr als 160 Simulationen und modelliert, wie sich Teilchen aufgrund der Anziehungskraft in einer kastenförmigen Umgebung verhalten. Diese Modelle werden als N-Körper-Simulationen bezeichnet und sind für die Modellierung der Wechselwirkung dunkler Materie mit baryonischer (auch bekannt als “sichtbarer”) Materie wesentlich.
Die Entwicklung der AbacusSummit-Simulationssuite wurde von Lehman Garrison (einem CCA-Forschungsstipendiat) und Nina Maksimova und Daniel Eisenstein, einem Doktoranden und Professor für Astronomie am CfA (jeweils) geleitet.
Die Simulationen wurden auf dem Summit-Supercomputer der Oak Ridge Leadership Computing Facility (ORLCF) in Tennessee ausgeführt – beaufsichtigt vom US-Energieministerium (DoE).
N-Körper-Berechnungen, die aus der Berechnung der Gravitationswechselwirkung von Planeten und anderen Objekten bestehen, gehören heute zu den größten Herausforderungen für Astrophysiker.
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.
Bis heute gibt es noch keine Lösung für N-Körper-Probleme, bei denen drei oder mehr massive Körper beteiligt sind, und die verfügbaren Berechnungen sind nur Näherungen. Zum Beispiel ist die Mathematik zur Berechnung der Wechselwirkung von drei Körpern, wie einem Doppelsternsystem und einem Planeten (bekannt als “Drei-Körper-Problem”), noch nicht gelöst.
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 seine Forschung (die von Maksimova geleitet wurde) entwarf das Team seine Codebasis (genannt Abacus), um die parallele Rechenleistung von Summit zu nutzen – wodurch mehrere Berechnungen gleichzeitig ausgeführt werden können.
Sie verließen sich auch auf maschinelle Lernalgorithmen und eine neue numerische Methode, die es ihnen ermöglichte, zu frühen Zeiten 70 Millionen Partikel pro Knoten/s und zu späten Zeiten 45 Millionen Partikel-Updates pro Knoten/s zu berechnen.
Wie Garrison in einer aktuellen CCA-Pressemitteilung erklärte:
„Diese Suite ist so groß, dass sie wahrscheinlich mehr Partikel enthält als alle anderen N-Körper-Simulationen, die jemals zusammen durchgeführt wurden – obwohl man sich dieser Aussage nicht sicher sein kann. Die Galaxien-Durchmusterungen liefern enorm detaillierte Karten des Universums, und wir brauchen ähnlich ambitionierte Simulationen, die ein breites Spektrum möglicher Universen abdecken, in denen wir leben könnten.
„AbacusSummit ist die erste Suite solcher Simulationen, die die Breite und Genauigkeit aufweist, um mit diesen erstaunlichen Beobachtungen zu vergleichen… Unsere Vision war es, diesen Code zu erstellen, um die Simulationen zu liefern, die für diese spezielle neue Marke von Galaxienvermessungen benötigt werden. Wir schrieben den Code an machen die Simulationen viel schneller und genauer als je zuvor.”
Zusätzlich zu den üblichen Herausforderungen erfordert die Durchführung vollständiger Simulationen von N-Körper-Berechnungen, dass Algorithmen aufgrund des gesamten damit verbundenen Speichers sorgfältig entworfen werden.
Dies bedeutet, dass Abacus keine Kopien der Simulation für verschiedene Supercomputerknoten erstellen konnte, um daran zu arbeiten, und stattdessen jede Simulation in ein Raster unterteilte. Diese besteht darin, Näherungsrechnungen für entfernte Teilchen anzustellen, die eine geringere Rolle spielen als nahegelegene.
Es teilt dann die nahegelegenen Partikel in mehrere Zellen auf, sodass der Computer an jedem unabhängig arbeiten kann, und kombiniert dann die Ergebnisse jedes einzelnen mit der Näherung entfernter Partikel.
Das Forschungsteam stellte fest, dass dieser Ansatz (gleichmäßige Unterteilung) die parallele Verarbeitung besser nutzt und es ermöglicht, einen großen Teil der Näherung entfernter Teilchen zu berechnen, bevor die Simulation beginnt.
Dies ist eine signifikante Verbesserung gegenüber anderen N-Körper-Codebasen, die Simulationen basierend auf der Partikelverteilung unregelmäßig aufteilen.
Dank seines Designs kann Abacus 70 Millionen Partikel pro Knoten/Sekunde aktualisieren (wobei jedes Partikel einen Klumpen dunkler Materie mit drei Milliarden Sonnenmassen darstellt). Es kann auch die laufende Simulation analysieren und nach Flecken dunkler Materie suchen, die auf das Vorhandensein heller sternbildender Galaxien hinweisen.
Diese und andere kosmologische Objekte werden Gegenstand zukünftiger Untersuchungen sein, die den Kosmos in noch nie dagewesener Detailgenauigkeit kartieren. Dazu gehören das Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), das Nancy Grace Roman Space Telescope (RST) und die Raumsonde Euclid der ESA.
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 wird detailliertere Simulationen ermöglichen, die aktualisierte Werte für verschiedene Parameter, wie beispielsweise dunkle Energie, verwenden.
Daniel J. Eisenstein, Forscher am CfA und Co-Autor des Papiers, ist ebenfalls Mitglied der DESI-Kollaboration. Er und andere wie er sind gespannt, was Abacus in den kommenden Jahren für diese kosmologischen Untersuchungen tun kann.
“Die Kosmologie macht aufgrund der multidisziplinären Verschmelzung spektakulärer Beobachtungen und modernster Computertechnik einen Sprung nach vorne”, sagte er.
“Das kommende Jahrzehnt verspricht ein wunderbares Zeitalter in unserer Untersuchung des historischen Verlaufs des Universums zu werden.”
Dieser Artikel wurde ursprünglich von Universe Today veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.