Kosmos-kode hjælper med at undersøge rummærkeligheder

Sorte huller skaber et stort rummysterium. De er så massive, at intet, ikke engang lys, kan undslippe et sort hul, når det kommer tæt nok på. Et stort mysterium for videnskabsmænd er, at der er beviser for kraftige stråler af elektroner og protoner, der skyder ud af toppen og bunden af ​​nogle sorte huller. Alligevel ved ingen, hvordan disse jetfly dannes.

Computerkode kaldet Cosmos giver nu næring til supercomputersimuleringer af sorte huls jetfly og begynder at afsløre mysterierne bag sorte huller og andre mærkværdigheder i rummet.

"Kosmos, roden til navnet, kom fra det faktum, at koden oprindeligt var designet til at lave kosmologi. Det er forvandlet til at lave en bred vifte af astrofysik, " forklarede Chris Fragile, en professor i Fysik og Astronomi-afdelingen ved College of Charleston. Fragile hjalp med at udvikle Cosmos-koden i 2005, mens han arbejdede som post-doc forsker ved Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), sammen med Steven Murray (LLNL) og Peter Anninos (LLNL).

Fragile påpegede, at Cosmos giver astrofysikere en fordel, fordi det har holdt sig på forkant med generel relativistisk magnetohydrodynamik (MHD). MHD simuleringer, magnetismen af ​​elektrisk ledende væsker, såsom sorte hul-stråler, tilføje et lag af forståelse, men er notorisk vanskelige for selv de hurtigste supercomputere.

"Det andet område, som Cosmos også altid har haft en fordel i, er, at det har en masse fysikpakker i sig, " fortsatte Fragile. "Dette var Peter Anninos' første motivation, i, at han ville have ét beregningsværktøj, hvor han kunne indsætte alt, hvad han havde arbejdet på gennem årene." Fragile listede nogle af de pakker, der inkluderer kemi, nuklear afbrænding, Newtonsk tyngdekraft, relativistisk tyngdekraft, og endda stråling og strålingskøling. "Det er en ret unik kombination, "Srøbelig sagde.

Den aktuelle iteration af koden er CosmosDG, som anvender diskontinuerlige Gelarkin-metoder. "Du tager det fysiske domæne, som du vil simulere, " forklarede Fragile, "og du deler det op i en masse små, små beregningsceller, eller zoner. Du løser dybest set ligningerne for væskedynamik i hver af disse zoner." CosmosDG har tilladt meget højere nøjagtighed end nogensinde før, ifølge resultater offentliggjort i Astrofysisk tidsskrift , august 2017.

"Vi var i stand til at demonstrere, at vi opnåede mange størrelsesordener mere nøjagtige løsninger i det samme antal beregningszoner, " sagde Fragile. "Så, især i scenarier, hvor du har brug for meget præcise løsninger, CosmosDG kan være en måde at få det med mindre beregningsomkostninger, end vi ville have været nødt til at bruge med tidligere metoder."

XSEDE ECSS hjælper Cosmos med at udvikle sig

Siden 2008 har Texas Advanced Computing Center (TACC) har leveret beregningsressourcer til udviklingen af ​​Cosmos-koden - omkring 6,5 millioner supercomputer-kernetimer på Ranger-systemet og 3,6 millioner kernetimer på Stampede-systemet. XSEDE, eXtreme Science and Engineering Discovery Environment finansieret af National Science Foundation, tildelt Fragiles gruppe med tildelingen.

"Jeg kan ikke rose nok, hvor meningsfulde XSEDE-ressourcerne er, " Sagde skrøbelig. "Den videnskab, jeg laver, ville ikke være mulig uden sådanne ressourcer. Det er en skala af ressourcer, som en lille institution som min bestemt aldrig kunne støtte. Det faktum, at vi har disse ressourcer på nationalt niveau, muliggør en enorm mængde videnskab, som ellers bare ikke ville blive gjort."

Og faktum er, at travle videnskabsmænd nogle gange kan bruge en hånd med deres kode. Ud over adgang, XSEDE tilbyder også en pulje af eksperter gennem Extended Collaborative Support Services (ECSS) indsats for at hjælpe forskere med at få fuld fordel af nogle af verdens mest kraftfulde supercomputere.

Fragile har for nylig fået hjælp fra XSEDE ECSS til at optimere CosmosDG-koden til Stampede2, en supercomputer i stand til 18 petaflops og flagskibet for TACC på University of Texas i Austin. Stampede2 har 4, 200 Knights Landing (KNL) noder og 1, 736 Intel Xeon Skylake noder.

Drag fordel af Knights Landing og Stampede2

KNL's mange kernearkitektur giver nye udfordringer for forskere, der forsøger at få den bedste computerydelse, ifølge Damon McDougall, en forskningsmedarbejder ved TACC og også ved Institute for Computational Engineering and Sciences, UT Austin. Hver Stampede2 KNL-node har 68 kerner, med fire hardwaretråde pr. kerne. Det er en masse bevægelige stykker at koordinere.

"Dette er en computerchip, der har masser af kerner sammenlignet med nogle af de andre chips, man kunne have interageret med på andre systemer, "McDougall forklarede. "Der skal lægges mere vægt på designet af software for at køre effektivt på disse typer chips."

Gennem ECSS, McDougall har hjulpet Fragile med at optimere CosmosDG til Stampede2. "Vi fremmer en vis type parallelisme, kaldet hybrid parallelisme, hvor du kan blande MPI-protokoller (Message Passing Interface), som er en måde at sende meddelelser mellem computerknudepunkter, og OpenMP, som er en måde at kommunikere på en enkelt beregningsknude, "McDougall sagde. "At blande disse to parallelle paradigmer er noget, vi opfordrer til for disse typer arkitekturer. Det er den type råd, vi kan hjælpe med at give og hjælpe videnskabsmænd med at implementere på Stampede2 gennem ECSS-programmet."

"Ved at reducere, hvor meget kommunikation du skal gøre, "Fragile sagde, "det er en af ​​ideerne om, hvor gevinsterne skal komme fra på Stampede2. Men det betyder lidt arbejde for ældre koder som vores, der ikke blev bygget til at bruge OpenMP. Vi er nødt til at eftermontere vores kode for at inkludere nogle OpenMP kalder. Det er en af ​​de ting, Damon har hjulpet os med at prøve at gøre denne overgang så gnidningsfrit som muligt."

McDougall beskrev ECSS-arbejdet indtil videre med CosmosDG som "meget begyndende og igangværende, "med meget indledende arbejde med at finde hukommelsesallokering 'hot spots', hvor koden bremser.

"En af de ting, som Damon McDougall virkelig har været behjælpelig med, er at hjælpe os med at gøre koderne mere effektive og hjælpe os med at bruge XSEDE-ressourcerne mere effektivt, så vi kan gøre endnu mere videnskab med det niveau af ressourcer, som vi får stillet til rådighed, " Skrøbelig tilføjede.

Black Hole Wobble

Noget af videnskaben Fragile og kolleger allerede har lavet ved hjælp af Cosmos-koden har hjulpet med at studere tilvækst, faldet af molekylære gasser, og rumaffald ind i et sort hul. Sorte huls tilvækst driver dens jetfly. "En af de ting, jeg formoder, jeg er mest berømt for, er at studere accretion-diske, hvor disken vippes, " forklarede Fragile.

Sorte huller spinder. Og det samme gør skiven af ​​gasser og affald, der omgiver den og falder ind. de spinder på forskellige rotationsakser. "Vi var de første mennesker til at studere tilfælde, hvor skivens rotationsakse ikke er på linje med rotationsaksen for det sorte hul, " Fragile said. General relativity shows that rotating bodies can exert a torque on other rotating bodies that aren't aligned with it.

Fragile's simulations showed the black hole wobbles, 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, og mere.

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."