science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Mira's laatste reis:het donkere universum verkennen

Visualisatie van de Last Journey simulatie. Getoond wordt de grootschalige structuur van het universum als een dun plakje door de volledige simulatie (linksonder) en zoom-ins op verschillende niveaus. Het paneel rechtsonder toont een van de grootste structuren in de simulatie. Krediet:Argonne Nationaal Laboratorium.

Een team van natuurkundigen en computerwetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) voerde een van de vijf grootste kosmologische simulaties ooit uit. Gegevens van de simulatie zullen hemelkaarten informeren om toonaangevende grootschalige kosmologische experimenten te ondersteunen.

De simulatie, genaamd de laatste reis, volgt de verdeling van massa over het universum in de tijd - met andere woorden, hoe zwaartekracht ervoor zorgt dat een mysterieuze onzichtbare substantie genaamd "donkere materie" samenklontert om grotere structuren te vormen die halo's worden genoemd, waarbinnen sterrenstelsels zich vormen en evolueren.

"We hebben veel geleerd en aangepast tijdens de levensduur van Mira, en dit is een interessante gelegenheid om terug te kijken en tegelijkertijd vooruit te kijken." - Adrian Pope, Argonne natuurkundige

De wetenschappers voerden de simulatie uit op Argonne's supercomputer Mira. Hetzelfde team van wetenschappers voerde in 2013 een eerdere kosmologische simulatie uit, genaamd de Outer Rim. slechts enkele dagen nadat Mira was ingeschakeld. Na het uitvoeren van simulaties op de machine gedurende de levensduur van zeven jaar, het team markeerde Mira's pensionering met de Last Journey-simulatie.

The Last Journey laat zien hoe ver de observatie- en computationele technologie is gekomen in slechts zeven jaar, en het zal gegevens en inzichten bijdragen aan experimenten zoals het Stage-4 grondgebaseerde kosmische microgolfachtergrondexperiment (CMB-S4), de Legacy Survey of Space and Time (uitgevoerd door het Rubin Observatorium in Chili), het Dark Energy Spectroscopic Instrument en twee NASA-missies, de Romeinse ruimtetelescoop en SPHEREx.

"We werkten met een enorm volume van het universum, en we waren geïnteresseerd in grootschalige constructies, zoals regio's van duizenden of miljoenen sterrenstelsels, maar we hebben ook gekeken naar dynamiek op kleinere schaal, " zei Katrin Heitmann, plaatsvervangend divisiedirecteur voor de divisie High Energy Physics (HEP) van Argonne.

De code die de kosmos heeft geconstrueerd

De periode van zes maanden voor de Last Journey-simulatie en grote analysetaken bood unieke uitdagingen voor softwareontwikkeling en workflow. Het team paste een deel van dezelfde code aan die werd gebruikt voor de Outer Rim-simulatie van 2013 met enkele belangrijke updates om efficiënt gebruik te maken van Mira, een IBM Blue Gene/Q-systeem dat was ondergebracht bij de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

specifiek, de wetenschappers gebruikten de Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC) en het analysekader, CosmoTools, om incrementele extractie van relevante informatie mogelijk te maken terwijl de simulatie werd uitgevoerd.

"Het is een uitdaging om de volledige machine te laten draaien, omdat het lezen van de enorme hoeveelheid gegevens die door de simulatie wordt geproduceerd, rekenkundig duur is, dus je moet veel analyses doen, "zei Heitmann. "Dat is ontmoedigend, want als je een fout maakt met de analyse-instellingen, je hebt geen tijd om het opnieuw te doen."

Het team koos voor een geïntegreerde aanpak om de workflow tijdens de simulatie uit te voeren. HACC zou de simulatie vooruit laten lopen in de tijd, het bepalen van het effect van zwaartekracht op materie gedurende grote delen van de geschiedenis van het heelal. Nadat HACC de posities had bepaald van biljoenen computerdeeltjes die de algehele verdeling van materie vertegenwoordigen, CosmoTools zou tussenbeide komen om relevante informatie vast te leggen, zoals het vinden van de miljarden halo's die sterrenstelsels hosten, om te gebruiken voor analyse tijdens de nabewerking.

"Als we weten waar de deeltjes zich op een bepaald moment bevinden, we karakteriseren de structuren die zijn gevormd met behulp van CosmoTools en slaan een subset van gegevens op om later verder te gebruiken, " zei Adrian Pope, natuurkundige en kernontwikkelaar van HACC en CosmoTools in de divisie Computational Science (CPS) van Argonne. "Als we een dichte klomp deeltjes vinden, die de locatie van een halo van donkere materie aangeeft, en sterrenstelsels kunnen zich in deze halo's van donkere materie vormen."

Argonne's Mira-supercomputer is onlangs met pensioen gegaan na zeven jaar baanbrekende wetenschap mogelijk te hebben gemaakt. Krediet:Argonne Nationaal Laboratorium.

De wetenschappers herhaalden dit verweven proces - waarbij HACC deeltjes verplaatst en CosmoTools specifieke gegevens analyseert en registreert - tot het einde van de simulatie. Het team gebruikte vervolgens functies van CosmoTools om te bepalen welke klonten deeltjes waarschijnlijk sterrenstelsels zouden herbergen. Als referentie, ongeveer 100 tot 1, 000 deeltjes vertegenwoordigen enkele sterrenstelsels in de simulatie.

"We zouden deeltjes verplaatsen, analyse maken, deeltjes verplaatsen, analyse maken, " zei paus. "Aan het einde, we zouden teruggaan door de subsets van gegevens die we zorgvuldig hadden gekozen om op te slaan en aanvullende analyses uit te voeren om meer inzicht te krijgen in de dynamiek van structuurvorming, zoals welke halo's samensmolten en die uiteindelijk om elkaar heen cirkelden."

Met behulp van de geoptimaliseerde workflow met HACC en CosmoTools, het team heeft de simulatie in de helft van de verwachte tijd uitgevoerd.

Gemeenschapsbijdrage

De Last Journey-simulatie levert gegevens die nodig zijn voor andere grote kosmologische experimenten om observaties te vergelijken of conclusies te trekken over een groot aantal onderwerpen. Deze inzichten kunnen licht werpen op onderwerpen variërend van kosmologische mysteries, zoals de rol van donkere materie en donkere energie in de evolutie van het heelal, tot de astrofysica van de vorming van sterrenstelsels in het universum.

"Deze enorme dataset die ze aan het bouwen zijn, zal bijdragen aan veel verschillende inspanningen, " zei Katherine Riley, directeur van de wetenschap bij de ALCF. "Uiteindelijk, dat is onze primaire missie:high-impact wetenschap helpen realiseren. Als je niet alleen iets cools kunt doen, maar om een ​​hele gemeenschap te voeden, dat is een enorme bijdrage die nog vele jaren impact zal hebben."

De simulatie van het team zal tal van fundamentele vragen in de kosmologie behandelen en is essentieel om de verfijning van bestaande modellen en de ontwikkeling van nieuwe mogelijk te maken, gevolgen hebben voor zowel lopende als toekomstige kosmologische onderzoeken.

"We proberen geen specifieke structuren in het eigenlijke universum te matchen, "zei paus. "Integendeel, we maken statistisch equivalente structuren, wat betekent dat als we door onze gegevens keken, we konden locaties vinden waar sterrenstelsels ter grootte van de Melkweg zouden leven. Maar we kunnen ook een gesimuleerd universum gebruiken als vergelijkingsinstrument om spanningen te vinden tussen ons huidige theoretische begrip van kosmologie en wat we hebben waargenomen."

Op zoek naar exascale

"Als we terugdenken aan de tijd dat we de Outer Rim-simulatie uitvoerden, je kunt echt zien hoe ver deze wetenschappelijke toepassingen zijn gekomen, zei Heitmann, die in 2013 Outer Rim uitvoerde met het HACC-team en Salman Habib, Divisiedirecteur van CPS en Argonne Distinguished Fellow. "Het was geweldig om iets groters en complexer te runnen dat zoveel voor de gemeenschap zal brengen."

Terwijl Argonne werkt aan de komst van Aurora, de aanstaande exascale supercomputer van de ALCF, de wetenschappers bereiden zich voor op nog uitgebreidere kosmologische simulaties. Exascale-computersystemen zullen een miljard miljard berekeningen per seconde kunnen uitvoeren - 50 keer sneller dan veel van de krachtigste supercomputers die momenteel in gebruik zijn.

"We hebben veel geleerd en aangepast tijdens de levensduur van Mira, en dit is een interessante gelegenheid om tegelijkertijd terug te kijken en vooruit te kijken, "zei Pope. "Bij het voorbereiden van simulaties op exascale-machines en een nieuw decennium van vooruitgang, we verfijnen onze code en analysetools, en we kunnen ons afvragen wat we niet deden vanwege de beperkingen die we tot nu toe hadden."

The Last Journey was een simulatie met alleen zwaartekracht, wat betekent dat het geen rekening hield met interacties zoals gasdynamica en de fysica van stervorming. Zwaartekracht is de belangrijkste speler in grootschalige kosmologie, maar de wetenschappers hopen andere fysica in toekomstige simulaties op te nemen om de verschillen te observeren die ze maken in hoe materie beweegt en zich in de loop van de tijd door het universum verspreidt.

"Meer en meer, we vinden nauw gekoppelde relaties in de fysieke wereld, en om deze interacties te simuleren, wetenschappers moeten creatieve workflows ontwikkelen voor verwerking en analyse, " zei Riley. "Met deze herhalingen, je bent in staat om nog sneller tot je antwoorden - en je doorbraken - te komen."

Een paper over de simulatie, getiteld "The Last Journey. I. Een simulatie op extreme schaal op de Mira-supercomputer, " werd op 27 januari gepubliceerd in de Astrophysical Journal Supplement-serie . De wetenschappers bereiden momenteel vervolgdocumenten voor om gedetailleerde synthetische luchtcatalogi te genereren.