Una nuova simulazione dell'universo contiene 60 trilioni di particelle, la maggior parte di sempre
Oggi, i più grandi misteri che astronomi e cosmologi devono affrontare sono i ruoli che l'attrazione gravitazionale e l'espansione cosmica giocano nell'evoluzione dell'Universo. Per risolvere questi misteri, astronomi e cosmologi stanno adottando un duplice approccio. Questi consistono nell'osservare direttamente il cosmo per osservare queste forze all'opera mentre si cerca di trovare soluzioni teoriche per i comportamenti osservati - come Materia oscura e Energia oscura .
Tra questi due approcci, gli scienziati modellano l'evoluzione cosmica con simulazioni al computer per vedere se le osservazioni si allineano con le previsioni teoriche. L'ultimo dei quali è Abacus Summit , una suite di simulazione creata dal Flatiron Institute's Centro per l'astrofisica computazionale (CCA) e il Centro di astrofisica di Harvard-Smithsonian (CfA). In grado di elaborare quasi 60 trilioni di particelle , questa suite è la più grande simulazione cosmologica mai prodotta.
I creatori di AbacusSummit hanno annunciato la suite di simulazione in una serie di articoli apparsi nel Avvisi mensili della Royal Astronomical Society (MNRAS). Composto da oltre 160 simulazioni, modella il comportamento delle particelle in un ambiente a forma di scatola a causa dell'attrazione gravitazionale. Questi modelli sono noti come simulazioni N-corpi e sono intrinseci alla modellazione del modo in cui la materia oscura interagisce con la materia barionica (alias 'visibile').
La distribuzione simulata della materia oscura nelle galassie. Credito: Brinckmann et al.
Lo sviluppo della suite di simulazione AbacusSummit è stato guidato da Lehman Garrison (un ricercatore del CCA) e Nina Maksimova e Daniel Eisenstein, uno studente laureato e professore di astronomia con il CfA (rispettivamente). Le simulazioni sono state eseguite su Supercomputer Summit al Struttura di calcolo per la leadership di Oak Ridge (ORLCF) in Tennessee – supervisionato dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DoE).
I calcoli di N-corpi, che consistono nel calcolare l'interazione gravitazionale di pianeti e altri oggetti, sono tra le maggiori sfide che gli astrofisici devono affrontare oggi. Parte di ciò che lo rende scoraggiante è che ogni oggetto interagisce con ogni altro oggetto, indipendentemente da quanto siano distanti: più oggetti vengono studiati, più interazioni devono essere prese in considerazione.
Ad oggi, non esiste ancora una soluzione per i problemi con N-corpi in cui sono coinvolti tre o più corpi massicci ei calcoli disponibili sono semplici approssimazioni. Ad esempio, la matematica per calcolare l'interazione di tre corpi, come un sistema stellare binario e un pianeta (noto come 'Problema dei tre corpi'), deve ancora essere risolta. Un approccio comune con le simulazioni cosmologiche è fermare l'orologio, calcolare la forza totale che agisce su ciascun oggetto, far avanzare il tempo lentamente e ripetere.
Per il bene della loro ricerca (che è stata guidata da Maksimova), il team ha progettato la loro base di codice (chiamata Abacus) per sfruttare la potenza di elaborazione parallela di Summit, per cui più calcoli possono essere eseguiti contemporaneamente. Hanno anche fatto affidamento su algoritmi di apprendimento automatico e su un nuovo metodo numerico, che ha permesso loro di calcolare 70 milioni di particelle per nodo/s all'inizio e 45 milioni di aggiornamenti di particelle per nodo/s alla fine.
Un'istantanea di una delle simulazioni AbacusSummit, mostrata a varie scale di zoom: 10 miliardi di anni luce di diametro, 1,2 miliardi di anni luce di larghezza e 100 milioni di anni luce di larghezza. Credito: The AbacusSummit Team/ layout di Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation
Come ha spiegato Garrison in un recente comunicato stampa della CCA:
“Questa suite è così grande che probabilmente ha più particelle di tutte le altre simulazioni di N-corpi che siano mai state eseguite combinate, anche se è un'affermazione difficile di cui essere certi. Le indagini sulle galassie stanno fornendo mappe estremamente dettagliate dell'Universo e abbiamo bisogno di simulazioni altrettanto ambiziose che coprano un'ampia gamma di possibili universi in cui potremmo vivere.
“AbacusSummit è la prima suite di tali simulazioni che ha l'ampiezza e la fedeltà da confrontare con queste incredibili osservazioni... La nostra visione era quella di creare questo codice per fornire le simulazioni necessarie per questo particolare nuovo tipo di indagine galattica. Abbiamo scritto il codice per eseguire le simulazioni molto più velocemente e in modo molto più accurato che mai.'
Oltre alle solite sfide, l'esecuzione di simulazioni complete di calcoli N-corpi richiede che gli algoritmi siano progettati con cura a causa di tutta la memoria coinvolta. Ciò significa che Abacus non è stato in grado di creare copie della simulazione per i diversi nodi del supercomputer su cui lavorare e ha invece diviso ciascuna simulazione in una griglia. Consiste nel fare calcoli approssimativi per le particelle distanti, che svolgono un ruolo minore rispetto a quelle vicine.
Quindi suddivide le particelle vicine in più celle in modo che il computer possa lavorare su ciascuna in modo indipendente, quindi combina i risultati di ciascuna con l'approssimazione delle particelle distanti. Il team di ricerca ha scoperto che questo approccio (divisioni uniformi) fa un uso migliore dell'elaborazione parallela e consente di calcolare una grande quantità di approssimazione di particelle distanti prima dell'inizio della simulazione.
Elaborazione parallela del computer di Abacus, visualizzata. Credito: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation
Questo è un miglioramento significativo rispetto ad altre basi di codice a N-corpi, che dividono irregolarmente le simulazioni in base alla distribuzione delle particelle. Grazie al suo design, Abacus può aggiornare 70 milioni di particelle per nodo/secondo (dove ogni particella rappresenta un ammasso di Materia Oscura con tre miliardi di masse solari). Può anche analizzare la simulazione mentre è in esecuzione e cercare macchie di materia oscura che indicano la presenza di galassie luminose che formano stelle.
Questi e altri oggetti cosmologici saranno oggetto di future indagini che mappano il cosmo con dettagli senza precedenti. Questi includono il Strumento spettroscopico a energia oscura (DESI), il Telescopio spaziale romano Nancy Grace (RST) e dell'ESA Euclide navicella spaziale. Uno degli obiettivi di queste missioni ad alto budget è migliorare le stime dei parametri cosmici e astrofisici che determinano come si comporta e come appare l'Universo.
Questo, a sua volta, consentirà simulazioni più dettagliate che utilizzano valori aggiornati per vari parametri, come Dark Energy. Anche Daniel J. Eisenstein, ricercatore del CfA e coautore dell'articolo, è membro della collaborazione DESI. Lui e altri come lui non vedono l'ora di sapere cosa può fare Abacus per queste indagini cosmologiche nei prossimi anni.
'La cosmologia sta facendo un balzo in avanti grazie alla fusione multidisciplinare di osservazioni spettacolari e informatica all'avanguardia', ha affermato. 'Il prossimo decennio promette di essere un'era meravigliosa nel nostro studio dell'evoluzione storica dell'universo'.
Ulteriori letture: Fondazione Simons , MNRAS