Zwarte gaten zorgen voor een groot ruimtemysterie. Ze zijn zo enorm dat niets, niet eens licht, kan ontsnappen aan een zwart gat zodra het dichtbij genoeg komt. Een groot mysterie voor wetenschappers is dat er bewijs is van krachtige elektronen- en protonenstralen die uit de boven- en onderkant van sommige zwarte gaten schieten. Toch weet niemand hoe deze jets ontstaan.

Computercode met de naam Cosmos voedt nu supercomputersimulaties van jets met zwarte gaten en begint de mysteries van zwarte gaten en andere eigenaardigheden in de ruimte te onthullen.

"Kosmos, de wortel van de naam, kwam voort uit het feit dat de code oorspronkelijk was ontworpen om kosmologie te doen. Het is veranderd in een breed scala aan astrofysica, " legde Chris Fragile uit, een professor in de Natuurkunde en Sterrenkunde van het College van Charleston. Fragile hielp bij het ontwikkelen van de Cosmos-code in 2005 terwijl ze werkte als postdoctoraal onderzoeker bij het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), samen met Steven Murray (LLNL) en Peter Anninos (LLNL).

Fragile wees erop dat Cosmos astrofysici een voordeel biedt omdat het in de voorhoede is gebleven van de algemene relativistische magnetohydrodynamica (MHD). MHD-simulaties, het magnetisme van elektrisch geleidende vloeistoffen zoals zwarte gatstralen, een laag begrip toevoegen, maar zijn notoir moeilijk voor zelfs de snelste supercomputers.

"Het andere gebied waar Cosmos altijd enig voordeel in heeft gehad, is dat het veel natuurkundige pakketten bevat, " vervolgde Fragile. "Dit was de eerste motivatie van Peter Anninos, in die zin dat hij één rekentool wilde waar hij alles in kon stoppen waaraan hij in de loop der jaren had gewerkt." Fragile somde enkele van de pakketten op die scheikunde bevatten, nucleaire verbranding, Newtoniaanse zwaartekracht, relativistische zwaartekracht, en zelfs straling en stralingskoeling. "Het is een vrij unieke combinatie, ' zei Fragiel.

De huidige iteratie van de code is CosmosDG, die gebruikmaakt van discontinue Gelarkin-methoden. "Je neemt het fysieke domein dat je wilt simuleren, " legde Fragiel uit, "en je verdeelt het in een hoop kleine, kleine rekencellen, of zones. Je lost in feite de vergelijkingen van vloeistofdynamica in elk van die zones op." CosmosDG heeft een veel hogere orde van nauwkeurigheid mogelijk gemaakt dan ooit tevoren, volgens de resultaten gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift , Augustus 2017.

"We waren in staat om aan te tonen dat we vele orden van grootte nauwkeuriger oplossingen hebben bereikt in hetzelfde aantal rekenzones, " verklaarde Fragile. "Dus, vooral in scenario's waar u zeer nauwkeurige oplossingen nodig heeft, CosmosDG is misschien een manier om dat te krijgen met minder rekenkosten dan we met eerdere methoden hadden moeten gebruiken."

XSEDE ECSS helpt Cosmos zich te ontwikkelen

Sinds 2008, het Texas Advanced Computing Center (TACC) heeft computerbronnen geleverd voor de ontwikkeling van de Cosmos-code:ongeveer 6,5 miljoen kernuren van supercomputers op het Ranger-systeem en 3,6 miljoen kernuren op het Stampede-systeem. XSEDE, de eXtreme Science and Engineering Discovery Environment gefinancierd door de National Science Foundation, bekroond met de groep van Fragile met de toewijzing.

"Ik kan niet genoeg loven hoe zinvol de XSEDE-bronnen zijn, " Fragile zei. "De wetenschap die ik doe zou niet mogelijk zijn zonder dergelijke middelen. Dat is een omvang van middelen die zeker een kleine instelling als de mijne nooit zou kunnen ondersteunen. Het feit dat we deze middelen op nationaal niveau hebben, maakt een enorme hoeveelheid wetenschap mogelijk die anders niet zou worden gedaan."

En feit is dat drukke wetenschappers soms een handje kunnen gebruiken met hun code. Naast toegang, XSEDE biedt ook een pool van experts via de Extended Collaborative Support Services (ECSS) inspanning om onderzoekers te helpen optimaal te profiteren van enkele van 's werelds krachtigste supercomputers.

Fragile heeft onlangs de hulp ingeroepen van XSEDE ECSS om de CosmosDG-code voor Stampede2 te optimaliseren een supercomputer die 18 petaflops kan en het vlaggenschip van TACC aan de Universiteit van Texas in Austin. Stampede2 beschikt over 4, 200 Knights Landing (KNL) knooppunten en 1, 736 Intel Xeon Skylake-knooppunten.

Profiteren van Knights Landing en Stampede2

De Manycore-architectuur van KNL biedt nieuwe uitdagingen voor onderzoekers die proberen de beste rekenprestaties te krijgen, volgens Damon McDougall, een onderzoeksmedewerker bij TACC en ook bij het Institute for Computational Engineering and Sciences, UT Austin. Elk Stampede2 KNL-knooppunt heeft 68 kernen, met vier hardware threads per core. Dat zijn veel bewegende stukken om te coördineren.

"Dit is een computerchip die veel kernen heeft in vergelijking met sommige van de andere chips waarmee je op andere systemen zou kunnen communiceren, " McDougall legt uit. "Er moet meer aandacht worden besteed aan het ontwerp van software om effectief te kunnen werken op dat soort chips."

Via ECSS, McDougall heeft Fragile geholpen om CosmosDG voor Stampede2 te optimaliseren. "We promoten een bepaald soort parallellisme, hybride parallellisme genoemd, waar u Message Passing Interface (MPI) -protocollen kunt mixen, wat een manier is om berichten tussen rekenknooppunten door te geven, en OpenMP, wat een manier is om te communiceren op een enkel rekenknooppunt, "Zei McDougall. "Het mengen van die twee parallelle paradigma's is iets dat we aanmoedigen voor dit soort architecturen. Dat is het soort advies dat we kunnen geven en wetenschappers kunnen helpen om Stampede2 te implementeren via het ECSS-programma."

"Door te verminderen hoeveel communicatie u moet doen, "Breekbaar zei, "Dat is een van de ideeën over waar de winst op Stampede2 vandaan zal komen. Maar het betekent wel wat werk voor legacy-codes zoals die van ons die niet zijn gebouwd om OpenMP te gebruiken. We moeten onze code aanpassen om enkele OpenMP roept. Dat is een van de dingen die Damon ons heeft geholpen om deze overgang zo soepel mogelijk te laten verlopen."

McDougall beschreef het ECSS-werk tot nu toe met CosmosDG als "zeer ontluikend en voortdurend, " met veel aanvankelijke speurwerk naar geheugentoewijzing 'hotspots' waar de code vertraagt.

"Een van de dingen waar Damon McDougall echt mee heeft geholpen, is ons helpen de codes efficiënter te maken en ons te helpen de XSEDE-bronnen efficiënter te gebruiken, zodat we nog meer wetenschap kunnen doen met het niveau van de middelen die we krijgen, "Breekbaar toegevoegd.

Zwart gat wiebelen

Een deel van de wetenschap die Fragile en collega's al hebben gedaan met behulp van de Cosmos-code heeft geholpen bij het bestuderen van accretie, de val van moleculaire gassen, en ruimtepuin in een zwart gat. Aanwas van zwarte gaten drijft zijn jets aan. "Een van de dingen waarvan ik denk dat ik het meest bekend ben, is het bestuderen van accretieschijven waarbij de schijf gekanteld is, " legt Fragiel uit.

Zwarte gaten draaien. En dat geldt ook voor de schijf van gassen en puin die hem omringt en erin valt. ze draaien op verschillende rotatieassen. "We waren de eerste mensen die gevallen bestudeerden waarin de rotatie-as van de schijf niet is uitgelijnd met de rotatie-as van het zwarte gat, " Fragile zei. De algemene relativiteitstheorie laat zien dat roterende lichamen een koppel kunnen uitoefenen op andere roterende lichamen die er niet mee zijn uitgelijnd.

Fragile's simulaties lieten zien dat het zwarte gat wiebelt, a movement called precession, from the torque of the spinning accretion disk. "The really interesting thing is that over the last five years or so, observers—the people who actually use telescopes to study black hole systems—have seen evidence that the disks might actually be doing this precession that we first showed in our simulations, " Fragile said.

Fragile and colleagues use the Cosmos code to study other space oddities such as tidal disruption events, which happen when a molecular cloud or star passes close enough that a black hole shreds it. Other examples include Minkowski's Object, where Cosmos simulations support observations that a black hole jet collides with a molecular cloud to trigger star formation.

Golden Age of Astronomy and Computing

"We're living in a golden age of astronomy, " Fragile said, referring to the wealth of knowledge generated from space telescopes like Hubble to the upcoming James Webb Space Telescope, to land-based telescopes such as Keck, en meer.

Computing has helped support the success of astronomy, Fragile said. "What we do in modern-day astronomy couldn't be done without computers, " he concluded. "The simulations that I do are two-fold. They're to help us better understand the complex physics behind astrophysical phenomena. But they're also to help us interpret and predict observations that either have been, can be, or will be made in astronomy."