Kosmologen ontwikkelen computersimulaties van het universum, ontworpen om op exaschaalcomputers te draaien. Deze modellen maken gebruik van deze supercomputers om nieuwe inzichten te verschaffen in het verleden en heden van ons universum.

Wetenschappers ontwikkelen deze simulaties om hen te helpen enkele van de grootste vragen in de natuurkunde te onderzoeken. Kosmologen weten dat donkere materie ongeveer 85% van de massa in het universum uitmaakt.

Ze proberen echter nog steeds te begrijpen hoe dit de structuur van het universum zelf beïnvloedt. Het licht van supernovae heeft ons geholpen te begrijpen dat het heelal elk jaar sneller uitdijt. Maar de ‘donkere energie’ die deze versnelde expansie veroorzaakt, is nog steeds een mysterie.

Simulaties maken gebruik van observatiegegevens van telescopen die de huidige hemel in kaart brengen om verschillende hypothesen te testen over hoe het universum is geëvolueerd. Het Office of Science van de DOE ondersteunt een aantal telescopen die enorme hoeveelheden gegevens verwerken. De eerste reeks gegevens van het Dark Energy Spectroscopic Instrument in Arizona bevat informatie over alleen al twee miljoen hemellichamen. Wanneer de Legacy Survey of Space and Time (LSST)-camera van het Vera C. Rubin Observatorium gegevens begint te verzamelen, zullen er tien jaar lang elke nacht honderden beelden worden gemaakt.

Kosmologen gebruiken deze gegevens om enorme kaarten van de hemel te maken die veel verder reiken dan wat we op aarde kunnen zien. Deze ‘hemelonderzoeken’ kunnen ons helpen vragen over donkere energie, donkere materie en andere kosmische verschijnselen te beantwoorden. De simulaties kunnen wetenschappers ook helpen de beste strategieën te ontdekken om de lucht te observeren:waar te kijken, hoe vaak en hoe diep.

Naast het analyseren van huidige waarnemingen, ontwikkelen kosmologen simulaties waarmee ze veel verschillende versies van hetzelfde universum kunnen creëren. Elke versie is gebaseerd op verschillende aannames over hoe het universum is geëvolueerd. Door deze versies te vergelijken met de kaarten op basis van observaties kunnen wetenschappers zien welke aannames het dichtst bij de werkelijkheid liggen.

Het ExaSky-project richtte zich op het ontwikkelen van deze simulaties voor gebruik op exaschaalcomputers. Exaschaalcomputers kunnen per seconde een miljard miljard drijvende-kommabewerkingen (een vorm van berekening) uitvoeren. Ter vergelijking:iedereen ter wereld zou vijf jaar lang wiskundeproblemen moeten oplossen om een ​​vergelijkbaar aantal berekeningen met de hand uit te voeren.

Frontier bij de Oak Ridge Leadership Computing Facility (een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science) was de eerste exascale computer die in mei 2022 online kwam. De volgende – Aurora bij de Argonne Leadership Computing Facility (een andere gebruikersfaciliteit) – zal binnenkort worden gelanceerd.

Deze computers hebben zowel de prestaties als het geheugen om de enorme hoeveelheden berekeningen en gegevens die door de simulaties worden geproduceerd, te verwerken. Naast ondersteuning voor de gebruikersfaciliteiten ondersteunde het Office of Science ExaSky ook via het Exascale Computing Project en het Scientific Discovery through Advanced Computing-programma.

Gelukkig begonnen de wetenschappers van ExaSky niet helemaal opnieuw. Dit project was gebaseerd op twee grote sets computercodes die eerdere simulaties aandreven. De codes simuleren hoe miljarden sterrenstelsels zich vormden en rangschikten in wat wetenschappers het kosmische web noemen. De programma's bevatten parameters over zowel de structuur als de fysica van individuele sterrenstelsels, maar ook over de manier waarop ze via de zwaartekracht met zichzelf en donkere materie interageren.

De wetenschappers van het ExaSky-project hebben deze codes bijgewerkt om optimaal te profiteren van de mogelijkheden van exaschaalcomputers. Exascale-computers gebruiken grafische verwerkingseenheden (GPU's) - vergelijkbaar met die welke worden gebruikt voor grafische afbeeldingen van videogames - voor verwerking naast centrale verwerkingseenheden (CPU's) zoals in een typische laptop. Aanpassing aan deze andere vorm van hardware vereist vaak substantiële herzieningen van de codes.

Maar het uitvoeren van deze simulaties op exaschaalcomputers heeft grote voordelen. Deze computers kunnen veel sneller zeer grote simulaties uitvoeren. Dankzij deze snelheid kunnen ze de tijd die nodig is om bepaalde problemen te beantwoorden, verkorten van maanden naar uren. Het zal hen ook in staat stellen nieuwe vragen aan te pakken die voorheen onmogelijk zouden zijn geweest.

Bovendien kunnen de ExaSky-programma's een enorm scala aan schalen simuleren, van de grootte van de kleinste sterrenstelsels tot een afstand van minder dan een vijfde van de weg naar de rand van het waarneembare heelal. Dat is een schaalbereik van 1 tot 10 miljoen.

Exascale-computers stellen wetenschappers ook in staat nieuwe modellen te ontwikkelen die processen kunnen beschrijven die de huidige simulaties niet kunnen bevatten. Actieve galactische kernen zijn bijvoorbeeld gebieden in de centrale kernen van sterrenstelsels die straling afgeven. Superzware zwarte gaten zijn hoogstwaarschijnlijk de oorzaak.

Hoewel deze actieve galactische kernen miljoenen keren massiever zijn dan onze zon, zijn de processen die ze vormen nog steeds op een te kleine schaal om in de huidige simulaties te kunnen worden opgenomen. De ExaSky-simulaties zullen deze verschijnselen kunnen omvatten met behulp van benaderende modellen.

De grootste vragen in de kosmologie en de grootste structuren in het universum zijn voor mensen moeilijk te begrijpen. Wetenschappers die exaschaalcomputers gebruiken om simulaties uit te voeren, bieden inzicht in het verleden, het heden en de toekomst van ons universum.

Aangeboden door het Amerikaanse ministerie van Energie