Miras sidste rejse:Udforskning af det mørke univers

Et team af fysikere og dataloger fra det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory udførte en af ​​de fem største kosmologiske simuleringer nogensinde. Data fra simuleringen vil informere himmelkort for at hjælpe med at lede storskala kosmologiske eksperimenter.

Simuleringen, kaldet den sidste rejse, følger fordelingen af ​​masse over universet over tid - med andre ord, hvordan tyngdekraften får et mystisk usynligt stof kaldet "mørkt stof" til at klumpe sig sammen for at danne strukturer i større skala kaldet haloer, hvori galakser dannes og udvikler sig.

"Vi har lært og tilpasset os meget i løbet af Miras levetid, og dette er en interessant mulighed for at se tilbage og se frem på samme tid." - Adrian Pope, Argonne fysiker

Forskerne udførte simuleringen på Argonnes supercomputer Mira. Det samme hold af videnskabsmænd kørte en tidligere kosmologisk simulering kaldet Outer Rim i 2013, få dage efter, at Mira tændte. Efter at have kørt simuleringer på maskinen gennem dens syv-årige levetid, holdet markerede Miras pensionering med Last Journey-simuleringen.

The Last Journey demonstrerer, hvor langt observations- og beregningsteknologi er nået på kun syv år, og det vil bidrage med data og indsigt til eksperimenter såsom Stage-4 jordbaseret kosmisk mikrobølge baggrundseksperiment (CMB-S4), Legacy Survey of Space and Time (udført af Rubin Observatory i Chile), Dark Energy Spectroscopic Instrument og to NASA-missioner, det romerske rumteleskop og SPHEREx.

"Vi arbejdede med en enorm mængde af universet, og vi var interesserede i store strukturer, som regioner med tusinder eller millioner af galakser, men vi overvejede også dynamik i mindre skalaer, sagde Katrin Heitmann, vicedivisionsdirektør for Argonnes High Energy Physics (HEP) division.

Koden, der konstruerede kosmos

Seks måneders spændvidde for Last Journey-simuleringen og større analyseopgaver gav unikke udfordringer for softwareudvikling og workflow. Holdet tilpassede noget af den samme kode, der blev brugt til 2013 Outer Rim-simuleringen med nogle væsentlige opdateringer for at gøre effektiv brug af Mira, et IBM Blue Gene/Q-system, der var anbragt på Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), en DOE Office of Science brugerfacilitet.

Specifikt, forskerne brugte Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC) og dens analyseramme, CosmoTools, at muliggøre trinvis udtrækning af relevant information samtidig med, at simuleringen kørte.

"At køre hele maskinen er udfordrende, fordi det er beregningsmæssigt dyrt at læse den enorme mængde data, der produceres af simuleringen, så du skal lave en masse analyser i farten, sagde Heitmann. Det er skræmmende, fordi hvis du laver en fejl med analyseindstillinger, du har ikke tid til at lave det om."

Teamet tog en integreret tilgang til at udføre arbejdsgangen under simuleringen. HACC ville køre simuleringen frem i tiden, bestemme virkningen af ​​tyngdekraften på stof i store dele af universets historie. Når først HACC bestemte positionerne af billioner af beregningspartikler, der repræsenterer den overordnede fordeling af stof, CosmoTools ville træde til for at registrere relevant information - såsom at finde de milliarder af haloer, der er vært for galakser - for at bruge til analyse under efterbehandling.

"Når vi ved, hvor partiklerne er på et bestemt tidspunkt, vi karakteriserer de strukturer, der er dannet ved at bruge CosmoTools og gemmer en delmængde af data for at gøre yderligere brug nede i linjen, " sagde Adrian Pope, fysiker og kerneudvikler af HACC og CosmoTools i Argonnes Computational Science (CPS) division. "Hvis vi finder en tæt klump af partikler, der angiver placeringen af ​​en mørk materie halo, og galakser kan dannes inde i disse mørke stof-haloer."

Forskerne gentog denne sammenvævede proces – hvor HACC flytter partikler og CosmoTools analyserer og registrerer specifikke data – indtil slutningen af ​​simuleringen. Holdet brugte derefter funktioner i CosmoTools til at bestemme, hvilke klumper af partikler der sandsynligvis ville være vært for galakser. Til reference, omkring 100 til 1, 000 partikler repræsenterer enkelte galakser i simuleringen.

"Vi ville flytte partikler, lave analyser, flytte partikler, lave analyser, sagde pave. Til sidst, vi ville gå tilbage gennem de delmængder af data, som vi omhyggeligt havde valgt at lagre og køre yderligere analyse for at få mere indsigt i dynamikken i strukturdannelse, såsom hvilke glorier der smeltede sammen, og som endte med at kredse om hinanden."

Ved at bruge den optimerede arbejdsgang med HACC og CosmoTools, holdet kørte simuleringen på halvdelen af ​​den forventede tid.

Fællesskabets bidrag

Simuleringen af ​​den sidste rejse vil levere data, der er nødvendige for andre store kosmologiske eksperimenter, som kan bruges, når man sammenligner observationer eller drager konklusioner om en lang række emner. Disse indsigter kunne kaste lys over emner lige fra kosmologiske mysterier, såsom mørkt stofs og mørk energis rolle i universets udvikling, til astrofysikken i galaksedannelsen på tværs af universet.

"Dette enorme datasæt, de er ved at opbygge, vil indgå i mange forskellige indsatser, " sagde Katherine Riley, direktør for videnskab ved ALCF. "Til sidst, det er vores primære mission – at hjælpe videnskab med stor effekt med at blive gennemført. Når du ikke kun er i stand til at gøre noget fedt, men for at brødføde et helt samfund, det er et kæmpe bidrag, som vil have en indflydelse i mange år."

Holdets simulering vil tage fat på adskillige grundlæggende spørgsmål inden for kosmologi og er afgørende for at muliggøre forfining af eksisterende modeller og udvikling af nye, påvirker både igangværende og kommende kosmologiske undersøgelser.

"Vi forsøger ikke at matche nogen specifikke strukturer i det faktiske univers, sagde pave. vi laver statistisk ækvivalente strukturer, hvilket betyder, at hvis vi kiggede vores data igennem, vi kunne finde steder, hvor galakser på størrelse med Mælkevejen ville leve. Men vi kan også bruge et simuleret univers som et sammenligningsværktøj til at finde spændinger mellem vores nuværende teoretiske forståelse af kosmologi og det, vi har observeret."

Leder efter at exascale

"Når vi tænker tilbage på, da vi kørte Outer Rim-simuleringen, du kan virkelig se, hvor langt disse videnskabelige applikationer er nået, sagde Heitmann, der optrådte Outer Rim i 2013 med HACC-teamet og Salman Habib, CPS divisionsdirektør og Argonne Distinguished Fellow. "Det var fantastisk at køre noget væsentligt større og mere komplekst, som vil bringe så meget til samfundet."

Mens Argonne arbejder hen imod ankomsten af ​​Aurora, ALCF's kommende exascale supercomputer, forskerne forbereder sig på endnu mere omfattende kosmologiske simuleringer. Exascale computersystemer vil være i stand til at udføre en milliard milliard beregninger i sekundet - 50 gange hurtigere end mange af de mest kraftfulde supercomputere, der fungerer i dag.

"Vi har lært og tilpasset os meget i løbet af Miras levetid, og dette er en interessant mulighed for at se tilbage og se frem på samme tid, " sagde Pope. "Når vi forbereder simuleringer på exascale maskiner og et nyt årti med fremskridt, vi forfiner vores kode og analyseværktøjer, og vi kommer til at spørge os selv, hvad vi ikke lavede på grund af de begrænsninger, vi har haft indtil nu."

The Last Journey var en simulation, der kun var tyngdekraften, hvilket betyder, at den ikke overvejede interaktioner såsom gasdynamik og stjernedannelsens fysik. Tyngdekraften er den største aktør i storskala kosmologi, men forskerne håber at inkorporere anden fysik i fremtidige simuleringer for at observere de forskelle, de gør i, hvordan stof bevæger sig og fordeler sig gennem universet over tid.

"Mere og mere, vi finder tæt koblede relationer i den fysiske verden, og at simulere disse interaktioner, videnskabsmænd skal udvikle kreative arbejdsgange til bearbejdning og analyse, " sagde Riley. "Med disse gentagelser, du er i stand til at nå frem til dine svar – og dine gennembrud – endnu hurtigere."

Et papir om simuleringen, med titlen "The Last Journey. I. En simulation i ekstrem skala på Mira supercomputeren, " blev offentliggjort den 27. januar i Astrophysical Journal Supplement Series . Forskerne er i øjeblikket ved at forberede opfølgende papirer for at generere detaljerede syntetiske himmelkataloger.