Это компьютерная визуализация космологического моделирования, являющегося частью проекта ExaSky. Он показывает, как распределяется газ в наши дни. На вставке показаны детали скопления галактик, насчитывающего от сотен до тысяч галактик. Фото: Михаэль Бюльманн и команда HACC, Аргоннская национальная лаборатория.
Создание нескольких вселенных, чтобы увидеть, как они работают, может показаться заманчивым для ученых, но это явно невозможно. То есть до тех пор, пока вам нужны физические вселенные. Если вы можете обойтись виртуальными, вариантов гораздо больше.
Космологи разрабатывают компьютерные модели Вселенной, предназначенные для работы на экзафлопсных компьютерах. Эти модели используют суперкомпьютеры для получения нового понимания прошлого и настоящего нашей Вселенной.
Ученые разрабатывают эти симуляции, чтобы помочь им исследовать некоторые из важнейших вопросов физики. Космологи знают, что темная материя составляет около 85% массы Вселенной.
Однако они все еще работают над тем, чтобы понять, как это влияет на структуру самой Вселенной. Свет сверхновых помог нам понять, что Вселенная с каждым годом расширяется все быстрее. Но «темная энергия», вызывающая это ускоренное расширение, до сих пор остается загадкой.
В симуляциях используются данные наблюдений телескопов, которые составляют карту текущего неба, чтобы проверить различные гипотезы о том, как развивалась Вселенная. Научный отдел Министерства энергетики поддерживает ряд телескопов, которые принимают огромные объемы данных. Первая партия данных Спектроскопического прибора темной энергии в Аризоне содержит информацию только о двух миллионах небесных объектов. Когда камера Legacy Survey of Space and Time (LSST) в обсерватории Веры К. Рубин начнет собирать данные, она будет делать сотни изображений каждую ночь в течение 10 лет.
Космологи используют эти данные для создания огромных карт неба, которые простираются далеко за пределы того, что мы можем видеть на Земле. Эти «обзоры неба» могут помочь нам ответить на вопросы о темной энергии, темной материи и других космических явлениях. Моделирование также может помочь ученым найти лучшие стратегии наблюдения за небом — куда смотреть, как часто и на какой глубине.
Помимо анализа текущих наблюдений, космологи разрабатывают модели, которые позволяют им создавать множество различных версий одной и той же Вселенной. Каждая версия основана на разных предположениях о том, как развивалась Вселенная. Сравнивая эти версии с картами, основанными на наблюдениях, ученые могут увидеть, какие предположения могут быть наиболее близкими к реальности.
Проект ExaSky был сосредоточен на разработке этих симуляций для работы на компьютерах экзафлопсного масштаба. Экзафлопсные компьютеры могут выполнять миллиард миллиардов операций с плавающей запятой (разновидность вычислений) в секунду. Для сравнения: каждому человеку в мире потребовалось бы пять лет подряд, чтобы выполнить такое же количество вычислений вручную.
Frontier в Oak Ridge Leadership Computing Facility (пользовательский центр Управления науки Министерства энергетики США) стал первым экзафлопсным компьютером, подключенным к сети в мае 2022 года. Следующий — Aurora в Argonne Leadership Computing Facility (еще один пользовательский центр) — будет запущен в ближайшее время.
Эти компьютеры обладают производительностью и памятью, позволяющими обрабатывать огромные объемы вычислений и данных, получаемых в результате моделирования. Помимо поддержки пользовательских объектов, Управление науки также поддерживало ExaSky в рамках проекта Exascale Computing Project и программы Scientific Discovery Through Advanced Computing.
К счастью, ученые ExaSky начинали не с нуля. Этот проект опирался на два основных набора компьютерных кодов, которые использовались в предыдущих симуляциях. Коды моделируют, как миллиарды галактик сформировались и расположились в том, что ученые называют космической паутиной. Программы включают параметры как структуры, так и физики отдельных галактик, а также того, как они взаимодействуют друг с другом и темной материей посредством гравитации.
Ученые проекта ExaSky обновили эти коды, чтобы в полной мере использовать возможности эксафлопсных компьютеров. Компьютеры Exascale используют графические процессоры (GPU) — аналогичные тем, которые используются для графики видеоигр — для обработки в дополнение к центральным процессорам (CPU), как в типичном ноутбуке. Адаптация к этой другой форме оборудования часто требует существенных изменений в кодах.
Но выполнение этих симуляций на экзафлопсных компьютерах имеет большие преимущества. Эти компьютеры могут выполнять очень большие симуляции гораздо быстрее. Такая скорость позволяет им сократить время ответа на определенные проблемы с месяцев до часов. Это также позволит им решать новые вопросы, которые раньше было невозможно решить.
Кроме того, программы ExaSky могут моделировать огромный диапазон масштабов: от размеров мельчайших галактик до расстояний менее пятой части пути до края наблюдаемой Вселенной. Это диапазон масштаба от 1 до 10 миллионов.
Экзафлопсные компьютеры также позволяют ученым разрабатывать новые модели, которые могут описывать процессы, которые не могут быть учтены в современных симуляциях. Например, активные ядра галактик — это области в центральных ядрах галактик, испускающие излучение. Вероятнее всего, их причиной являются сверхмассивные черные дыры.
Хотя эти активные ядра галактик в миллионы раз массивнее нашего Солнца, процессы, которые их формируют, все еще слишком малы по масштабу, чтобы их можно было учесть в современном моделировании. Моделирование ExaSky сможет учитывать эти явления с использованием приближенных моделей.
Людям трудно осмыслить самые большие вопросы космологии и самые большие структуры во Вселенной. Ученые, использующие экзафлопсные компьютеры для моделирования, дают представление о прошлом, настоящем и будущем нашей Вселенной.
Информация от: Министерством энергетики США.
