Kortlægning af nattehimlen med exascale computere

At skabe flere universer for at se, hvordan de kører, kan være fristende for videnskabsmænd, men det er åbenbart ikke muligt. Det vil sige, så længe du har brug for fysiske universer. Hvis du kan nøjes med virtuelle, er der langt flere muligheder.

Kosmologer udvikler computersimuleringer af universet designet til at køre på exascale computere. Disse modeller udnytter disse supercomputere til at give ny indsigt i vores univers fortid og nutid.

Forskere udvikler disse simuleringer for at hjælpe dem med at udforske nogle af de største spørgsmål inden for fysik. Kosmologer ved, at mørkt stof udgør omkring 85 % af massen i universet.

Men de arbejder stadig på at forstå, hvordan det påvirker selve universets struktur. Lyset fra supernovaer har hjulpet os med at forstå, at universet udvider sig med en hurtigere hastighed hvert år. Men den "mørke energi", der forårsager denne accelererede ekspansion, er stadig et mysterium.

Simuleringer bruger observationsdata fra teleskoper, der kortlægger den aktuelle himmel, til at teste forskellige hypoteser om, hvordan universet udviklede sig. DOE's Office of Science understøtter en række teleskoper, der tager enorme mængder data. Den første batch af data fra Dark Energy Spectroscopic Instrument i Arizona har oplysninger om to millioner himmellegemer alene. Når kameraet Legacy Survey of Space and Time (LSST) ved Vera C. Rubin Observatory begynder at indsamle data, vil det tage hundredvis af billeder hver nat i 10 år.

Kosmologer bruger disse data til at skabe massive kort over himlen, der strækker sig langt ud over, hvad vi kan se på Jorden. Disse "himmelundersøgelser" kan hjælpe os med at besvare spørgsmål om mørk energi, mørkt stof og andre kosmiske fænomener. Simuleringerne kan også hjælpe videnskabsmænd med at finde de bedste strategier til at observere himlen – hvor de skal kigge, hvor ofte og hvor dybt.

Udover at analysere aktuelle observationer, udvikler kosmologer simuleringer, der giver dem mulighed for at skabe mange forskellige versioner af det samme univers. Hver version er baseret på forskellige antagelser om, hvordan universet udviklede sig. Ved at sammenligne disse versioner med kortene baseret på observationer kan forskerne se, hvilke antagelser der kan være tættest på virkeligheden.

ExaSky-projektet fokuserede på at udvikle disse simuleringer til at køre på exascale-computere. Exascale-computere kan udføre en milliard milliard flydende kommaoperationer (en form for beregning) i sekundet. Til sammenligning ville det tage alle i verden at lave matematiske problemer i fem år i træk for at udføre et tilsvarende antal udregninger i hånden.

Frontier ved Oak Ridge Leadership Computing Facility (en DOE Office of Science-brugerfacilitet) var den første exascale-computer, der kom online i maj 2022. Den næste – Aurora på Argonne Leadership Computing Facility (en anden brugerfacilitet) – lanceres snart.

Disse computere har både ydeevne og hukommelse til at håndtere de enorme mængder af beregninger og data produceret af simuleringerne. Ud over støtte til brugerfaciliteterne støttede Office of Science også ExaSky gennem Exascale Computing Project og Scientific Discovery through Advanced Computing-programmet.

Heldigvis startede forskerne på ExaSky ikke fra bunden. Dette projekt trak på to store sæt computerkoder, der drev tidligere simuleringer. Koderne simulerer, hvordan milliarder af galakser dannedes og arrangerede sig i det, forskerne kalder det kosmiske net. Programmerne indeholder parametre om både strukturen og fysikken af ​​individuelle galakser, samt hvordan de interagerer med sig selv og mørkt stof via tyngdekraften.

Forskerne på ExaSky-projektet opdaterede disse koder for at drage fuld fordel af exascale-computeres muligheder. Exascale-computere bruger grafiske processorenheder (GPU'er) - svarende til dem, der bruges til videospilsgrafik - til behandling ud over centrale processorenheder (CPU'er) som i en typisk bærbar computer. Tilpasning til denne anderledes form for hardware kræver ofte væsentlige revisioner af koderne.

Men at køre disse simuleringer på exascale-computere har store fordele. Disse computere kan køre meget store simuleringer meget hurtigere. Denne hastighed giver dem mulighed for at forkorte tiden til at besvare visse problemer fra måneder til timer. Det vil også sætte dem i stand til at tackle nye spørgsmål, som tidligere ville have været umulige at gøre.

Derudover kan ExaSky-programmerne simulere et stort udvalg af skalaer, fra størrelsen af ​​de mindste galakser til en afstand på mindre end en femtedel af vejen til kanten af ​​det observerbare univers. Det er en skala fra 1 til 10 mio.

Exascale-computere giver også forskere mulighed for at udvikle nye modeller, der kan beskrive processer, som nuværende simuleringer ikke kan inkludere. For eksempel er aktive galaktiske kerner områder i de centrale kerner af galakser, der afgiver stråling. Supermassive sorte huller forårsager dem højst sandsynligt.

Selvom disse aktive galaktiske kerner er millioner af gange mere massive end vores sol, er de processer, der danner dem, stadig på en for lille skala til, at aktuelle simuleringer kan inkluderes. ExaSky-simuleringerne vil være i stand til at inkludere disse fænomener ved hjælp af omtrentlige modeller.

De største spørgsmål i kosmologi og de største strukturer i universet er svære for mennesker at vikle vores hoveder om. Forskere, der bruger exascale-computere til at køre simuleringer, giver indsigt i vores univers' fortid, nutid og fremtid.

Leveret af det amerikanske energiministerium