|
Суперкомпьютер поможет в исследовании темной материи
|
|
|
|
Исследовательская группа из Калифорнийского университета в Санта-Круз использовала суперкомпьютер Oak Ridge Leadership Computing Facility Summit для запуска одной из самых полных космологических моделей, когда-либо исследовавших свойства темной материи — гипотетической космической сети Вселенной, которая в значительной степени остается тайна примерно через 90 лет после того, как ее существование было окончательно теоретизировано. В соответствии с моделью лямбда-холодной темной материи космологии Большого взрыва, которая является рабочей моделью Вселенной, которая, по мнению многих астрофизиков, дает наиболее разумное объяснение того, почему она такая, какая она есть, 85% всей материи во Вселенной состоит из темная материя. Но что такое темная материя?
|
|
|
|
«Мы знаем, что во Вселенной много темной материи, но понятия не имеем, из чего состоит эта темная материя, что это за частицы. Мы просто знаем, что она существует из-за гравитационного влияния», — сказал Бруно Вилласенор, бывший докторант Калифорнийского университета в Калифорнии и ведущий автор статьи группы, недавно опубликованной в журнале Physical Review D. «Но если мы сможем ограничить свойства темной материи, которую мы видим, то мы сможем отбросить некоторых возможных кандидатов». Выполнив более 1000 гидродинамических симуляций с высоким разрешением на суперкомпьютере Summit, расположенном в Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики, команда смоделировала лес Лайман-Альфа, представляющий собой ряд особенностей поглощения, образованных светом от удаленных ярких объектов, называемых квазары сталкиваются с материалом на своем пути к Земле. Все эти пятна рассеянного космического газа движутся с разной скоростью, имеют разную массу и протяженность, образуя «лес» из линий поглощения.
|
|
|
Затем исследователи смоделировали вселенные с различными свойствами темной материи, которые влияют на структуру космической сети, изменяя колебания леса Лайман-Альфа. Команда сравнила результаты моделирования с флуктуациями в реальном лесу Лайман-Альфа, наблюдаемом с помощью телескопов в обсерватории В. М. Кека и Очень большого телескопа Европейской южной обсерватории, а затем исключила претендентов на темную материю, пока они не нашли наиболее близкое совпадение. Следовательно, результаты команды противоречили основному утверждению модели Lambda-CDM о том, что темная материя Вселенной — это холодная темная материя — отсюда и аббревиатура модели, которая ссылается на медленные тепловые скорости темной материи, а не на ее температуру. Вместо этого главная перспектива исследования указывала на противоположное предположение: возможно, мы действительно живем во вселенной теплой темной материи с более высокими тепловыми скоростями.
|
|
|
|
«Лямбда-CDM обеспечивает успешный взгляд на огромный диапазон наблюдений в астрономии и космологии. Но в этом фундаменте есть небольшие трещины. И что мы действительно пытаемся сделать, так это расширить эти трещины и посмотреть, есть ли проблемы с этим. фундаментальный фундамент. Мы на твердой почве?» сказал Брант Робертсон, руководитель проекта и профессор кафедры астрономии и астрофизики UCSC. Помимо возможного нарушения нескольких давних предположений о темной материи и самой Вселенной, проект UCSC также выделяется своими вычислительными достижениями. Команда выполнила беспрецедентно полный набор симуляций, созданных с помощью современного программного обеспечения для моделирования, которое учитывает физику, формирующую структуру космической сети, и использует вычислительную мощность крупнейших суперкомпьютеров в мире.
|
|
|
|
Команда UCSC использовала оптимизированный для GPU код гидродинамики под названием Cholla, или Computational Hydrodynamics On ParaLLel Architectures, в качестве отправной точки для своих симуляций на Summit. Разработанная Эваном Шнайдером, доцентом кафедры физики и астрономии Университета Питтсбурга, Cholla изначально предназначалась для того, чтобы помочь пользователям лучше понять, как газы во Вселенной развиваются с течением времени, выступая в качестве решателя гидродинамики. Однако команде UCSC потребовалось еще несколько физических решателей для работы над проектом темной материи, поэтому Вилласенор интегрировал их в Cholla в течение трех лет для своей докторской диссертации в UCSC.
|
|
|
|
«По сути, мне пришлось расширить Чоллу, добавив немного физики: физику гравитации, физику темной материи, физику расширяющейся Вселенной, физику химических свойств газов и химические свойства водорода и гелия». — сказал Вилласенор. «Каким образом газ будет нагреваться за счет излучения во Вселенной? Как это будет распространять газ? Эта физика необходима для выполнения такого рода космологических гидродинамических симуляций». В процессе Вилласенор собрал один из наиболее полных кодов моделирования для моделирования вселенной. Раньше астрофизикам обычно приходилось выбирать, какие параметры включать в их моделирование. Теперь, в сочетании с вычислительной мощностью Summit, в их распоряжении гораздо больше физических параметров.
|
|
|
|
«Одна из вещей, которую добился Бруно, — это то, что исследователи хотели сделать в течение многих лет, и что на самом деле это было возможно только с помощью суперкомпьютерных систем в OLCF: на самом деле резко изменить физику Вселенной разными способами», — сказал Робертсон. «Это огромный шаг вперед — иметь возможность одновременно подключать физику и делать это таким образом, чтобы вы могли напрямую сравнивать их с наблюдениями. «Раньше просто не было возможности сделать что-либо подобное. Это на порядки, с точки зрения вычислительной сложности, превышает то, что было сделано раньше».
|
|
|
|
Шнайдер, которая консультировала Вилласенора в его работе по расширению Cholla, сказала, что считает его дополнения «абсолютно важными», поскольку она готовит Cholla к своим собственным симуляциям на новом суперкомпьютере Frontier экзафлопсного класса, который размещен вместе с Summit в OLCF. пользовательское учреждение Управления науки Министерства энергетики США в ORNL. В рамках программы Frontier Center for Accelerated Application Readiness она руководит проектом по моделированию галактики Млечный Путь и будет использовать некоторые решатели, добавленные Вилласенором.
|
|
|
|
«Астрофизическое программное обеспечение очень отличается от других видов программного обеспечения, потому что я не думаю, что когда-либо будет какая-либо окончательная версия, и это, конечно, не относится к Чолле», — сказал Шнайдер. «Вы можете думать о Cholla как о многофункциональном инструменте, поэтому чем больше деталей мы добавляем к нашему многофункциональному инструменту, тем больше видов проблем мы можем решить. — это целый класс проблем, которые мы можем решить сейчас и которые не могли решить с помощью исходного кода. По мере того, как мы продолжаем добавлять все больше и больше вещей, мы сможем решать все более и более сложные проблемы».
|
|
|
|
Источник
|
