AbacusSummit to najdokładniejsza symulacja Wszechświata w historii

Najdokładniejsza symulacja Wszechświata w historii. Zawiera 60 bilionów cząsteczek

Naukowcy stworzyli gigantyczną symulację Wszechświata, obejmującą miliardy lat świetlnych – największą w historii.

Astronomia wciąż skrywa wiele zagadek. Aby je rozwikłać, naukowcy stosują dwutorowe podejście: obserwacje i teoretyczne dywagacje. Realną pomocą są także symulacje komputerowe, które pozwalają zweryfikować wiarygodność tworzonych teorii. Najnowsza z nich to AbacusSummit, stworzona przez Centrum Astrofizyki Obliczeniowej (CCA) Instytutu Flatiron oraz Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA).

Pierwsza taka symulacja w historii

AbacusSummit może przetwarzać prawie 60 bilionów cząstek i jest największą symulacją kosmologiczną, jaką kiedykolwiek stworzono. O szczegółach można przeczytać w Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Czytaj też: Naukowcy chcą zrozumieć czarne dziury. W ten sposób powstała nowa symulacja

AbacusSummit składa się z ponad 160 symulacji, które modelują zachowanie cząstek w wyniku przyciągania grawitacyjnego. Modele te znane są jako symulacje N-ciał i są nieodłącznym elementem modelowania tego, jak ciemna materia oddziałuje z materią barionową (czyli „zwykłą”).

Prace nad symulacjami AbacusSummit były prowadzone przez Lehmana Garrisona z CCA oraz Ninę Maksimovą i Daniela Eisensteina, absolwentów i profesorów astronomii z CfA. Symulacje przeprowadzono na superkomputerze Summit w Oak Ridge Leadership Computing Facility (ORLCF) w Tennessee – nadzorowanym przez Departament Energii USA (DoE).

Problem trzech ciał

Symulacje N-ciał, które polegają na obliczaniu oddziaływań grawitacyjnych planet i innych obiektów, są jednym z największych wyzwań stojących obecnie przed astrofizykami. Każdy obiekt oddziałuje z każdym innym obiektem, niezależnie od tego, jak daleko od siebie się znajdują – im więcej badanych obiektów, tym więcej oddziaływań trzeba uwzględnić.

Nauka do dziś nie zna rozwiązania problemów N-ciał, w których biorą udział trzy lub więcej masywne obiekty, a dostępne obliczenia są jedynie przybliżeniami. Problem dotyczący oddziaływania trzech ciał, takich jak układ podwójny gwiazd i planeta (znany jako problem trzech ciał), nie został jeszcze rozwiązany.

Jak przeprowadza się symulacje? Naukowcy zatrzymują zegar, obliczają wszystkie siły działające na każdy obiekt, włączają zegar i całość powtarzają N razy. Na potrzeby swoich badań, zespół zaprojektował bazę kodową nazwaną Abacus tak, aby wykorzystać moc przetwarzania równoległego Summit, dzięki któremu wiele obliczeń może być wykonywanych jednocześnie.

Ten pakiet jest tak duży, że prawdopodobnie zawiera więcej cząstek niż wszystkie inne symulacje N-ciał, które kiedykolwiek zostały uruchomione razem wzięte – choć trudno być tego pewnym. Badania galaktyk dostarczają niesamowicie szczegółowych map Wszechświata i potrzebujemy podobnie ambitnych symulacji, które pokryją szeroki zakres możliwych wszechświatów, w których możemy żyć. AbacusSummit jest pierwszym zestawem takich symulacji, który ma wystarczający zakres i wierność, aby dorównać tym niesamowitym obserwacjom. Naszą wizją było stworzenie kodu, który dostarczy symulacji potrzebnych do tego szczególnego, nowego rodzaju badań galaktyk. Napisaliśmy kod, który pozwala wykonywać symulacje znacznie szybciej i dokładniej niż kiedykolwiek wcześniej.

Lehman Garrison