Kosmologer skaber rekordstor simulering af galaksedannelse

Ved at forstå stjernerne og deres oprindelse, vi lærer mere om, hvor vi kommer fra. Imidlertid, galaksens enorme omfang – endsige hele universet – betyder, at eksperimenter for at forstå dens oprindelse er dyre, svært og tidskrævende. Faktisk, eksperimenter er umulige for at studere visse aspekter af astrofysik, hvilket betyder, at for at få større indsigt i, hvordan galakser blev dannet, forskere er afhængige af supercomputing.

I et forsøg på at udvikle et mere komplet billede af galaksedannelse, forskere fra Heidelberg Instituttet for Teoretiske Studier, Max-Planck Institutes for Astrophysics and for Astronomy, Massachusetts Institute of Technology, Harvard Universitet, og Center for Computational Astrophysics i New York har henvendt sig til supercomputing-ressourcer på High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS), en af ​​de tre tyske supercomputerfaciliteter i verdensklasse, der omfatter Gauss Center for Supercomputing (GCS). Den resulterende simulering vil hjælpe med at verificere og udvide eksisterende eksperimentel viden om universets tidlige stadier.

For nylig, holdet udvidede sin 2015 rekordstore "Illustris"-simulering - den hidtil største hydrologiske simulering af galaksedannelse. Hydrodynamiske simuleringer giver forskere mulighed for nøjagtigt at simulere gass bevægelse. Stjerner dannes af kosmisk gas, og stjernelys giver astrofysikere og kosmologer vigtig information til at forstå, hvordan universet fungerer.

Forskerne forbedrede omfanget og nøjagtigheden af ​​deres simulering, navngivning af denne fase af projektet Illustris:The Next Generation (IllustrisTNG). Holdet udgav sin første runde af resultater på tværs af tre tidsskriftsartikler, der vises i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society og forbereder flere til udgivelse.

Magnetisk modellering

Ligesom menneskeheden ikke kan forestille sig præcis, hvordan universet blev til, en computersimulering kan ikke genskabe universets fødsel i bogstavelig forstand. I stedet, forskere føder ligninger og andre startbetingelser – observationer fra satellit-arrays og andre kilder – ind i en gigantisk beregningsterning, der repræsenterer et stort stykke af universet, og bruger derefter numeriske metoder til at sætte dette "univers i en boks" i gang.

For mange aspekter af simuleringen, forskere kan starte deres beregninger på et grundlæggende, eller ab initio, niveau uden behov for forudfattede inputdata, men processer, der er mindre forståede – såsom stjernedannelse og væksten af ​​supermassive sorte huller – skal informeres ved observation og ved at lave antagelser, der kan forenkle syndfloden af ​​beregninger.

Efterhånden som regnekraften og knowhow er steget, så, også, har evnen til at simulere større områder af rummet og stadig mere indviklede og komplekse fænomener relateret til galaksedannelse. Med IllustrisTNG, holdet simulerede tre univers "skiver" i forskellige opløsninger. Den største var 300 megaparsec på tværs, eller omkring 1 milliard lysår. Holdet brugte 24, 000 kerner på Hazel Hen i løbet af 35 millioner kernetimer.

I et af IllustrisTNGs store fremskridt, forskerne omarbejdede simuleringen for at inkludere en mere præcis redegørelse for magnetiske felter, forbedring af simuleringens nøjagtighed. "Magnetiske felter er interessante af forskellige årsager, " sagde prof. Dr. Volker Springel, professor og forsker ved Heidelberg Instituttet for Teoretiske Studier og hovedforsker på projektet. "Det magnetiske tryk, der udøves på kosmisk gas, kan lejlighedsvis være lig med termisk (temperatur) tryk, hvilket betyder, at hvis du forsømmer dette, du vil gå glip af disse effekter og i sidste ende kompromittere dine resultater."

Mens de udviklede IllustrisTNG, gjorde holdet også et overraskende fremskridt i forståelsen af ​​det sorte huls fysik. Baseret på observationsviden, forskerne vidste, at supermassive sorte huller driver kosmiske gasser frem med en masse energi, mens de også "blæser" denne gas væk fra galaksehobe. Dette er med til at "lukke" for stjernedannelse i de største galakser og sætter dermed en grænse for den maksimale størrelse, de kan nå.

I den tidligere Illustris-simulering, forskerne bemærkede, at mens sorte huller gennemgår denne energioverførselsproces, de ville ikke lukke helt af for stjernedannelsen. Ved at revidere de sorte hullers fysik i simuleringen, holdet så meget bedre overensstemmelse mellem data og observation, give forskerne større tillid til, at deres simulering svarer til virkeligheden.

En langvarig alliance

Teamet har brugt GCS-ressourcer siden 2015 og kørt IllustrisTNG-simuleringen på HLRS-ressourcer siden marts 2016. I betragtning af, at IllustrisTNGs datasæt er både større og mere nøjagtigt end originalen, forskerne er sikre på, at deres data vil blive meget brugt, mens de ansøger om mere tid til at fortsætte med at forfine simuleringen. Den originale Illustris-dataudgivelse fik 2, 000 registrerede brugere og resulterede i mere end 130 publikationer.

I det tidsrum, forskerne har satset på GCS supportpersonale til at hjælpe med adskillige lavniveauproblemer relateret til deres kode, specifikt relateret til hukommelsesnedbrud og filsystemproblemer. Teammedlemmer Drs. Dylan Nelson og Rainer Weinberger havde også begge fordele af at deltage i 2016 og 2017 skaleringsværksteder på maskinniveau på HLRS. Holdets mangeårige samarbejde med HLRS har resulteret i at vinde 2016 og 2017 Golden Spike priser, som gives til fremragende brugerprojekter under HLRS' årlige Results and Review Workshop.

Nelson påpegede, at mens den nuværende generations supercomputere har muliggjort simuleringer, der stort set har overvundet de mest fundamentale problemer relateret til massiv-skala kosmologisk modellering, der er stadig muligheder for forbedringer.

"Øget hukommelse og behandlingsressourcer i næste generations systemer vil give os mulighed for at simulere store mængder af universet med højere opløsning, " sagde Nelson. "Store mængder er vigtige for kosmologi, forstå universets struktur i stor skala, og lave faste forudsigelser for den næste generation af store observationsprojekter. Høj opløsning er vigtig for at forbedre vores fysiske modeller af de processer, der foregår inde i individuelle galakser i vores simulering."