Supercomputerul Aurora a realizat două dintre cele mai mari simulări cosmologice de până acum
Cercetătorii de la Laboratorul Național Argonne al Departamentului pentru Energie al Statelor Unite au finalizat două dintre cele mai ample simulări cosmologice efectuate vreodată. Fiecare dintre ele a modelat evoluția a 13,4 trilioane de particule de materie întunecată pe o regiune cu o lățime de 28,6 miliarde de ani-lumină.
Materia întunecată este invizibilă pentru telescoape, însă efectele sale gravitaționale influențează formarea galaxiilor și conturează structurile la scară mare ale universului. În simulări, particulele servesc drept trasoare pentru distribuția densității și a vitezei materiei întunecate, permițând urmărirea evoluției structurii cosmice de-a lungul a miliarde de ani.
Resurse de calcul exascale
Simulări de o asemenea amploare necesită putere de calcul uriașă. Calculele au fost efectuate pe mașina exascale Aurora de la Argonne, unul dintre cele mai mari supercomputere din lume, cu 10.624 de noduri și 63.744 de unități de procesare grafică. Aurora este găzduită în cadrul Argonne Leadership Computing Facility, o facilitate a Departamentului pentru Energie. Fiecare simulare a utilizat 8.100 de noduri și aproximativ 50.000 de unități de procesare grafică, iar calculele și o mare parte a analizei datelor au fost finalizate în circa patru zile.
Proiectul, condus de Nicholas Frontiere, om de știință în calcul la Argonne, urmărește să clarifice fizica inflației cosmice, teoria care descrie o scurtă explozie de expansiune rapidă din universul foarte timpuriu. Inflația ar fi amplificat fluctuațiile cuantice microscopice la scări cosmologice, lăsând mici variații de densitate pe care gravitația le-a transformat ulterior în structura cosmică observată astăzi.
Semnale subtile din universul timpuriu
Modelele standard ale inflației prezic că fluctuațiile timpurii au urmat o distribuție gaussiană, una dintre cele mai simple forme de aleatorism. Cercetătorii caută mici abateri de la acest tipar, cunoscute drept non-gaussianitate primordială. Un astfel de semnal ar putea indica câmpuri, interacțiuni sau dinamici suplimentare din timpul inflației și ar ajuta la departajarea teoriilor concurente despre primele momente ale universului.
Semnalul estimat este foarte subtil și poate fi mascat de varianța cosmică, incertitudinea statistică ce apare pentru că sondajele acoperă doar un volum finit din univers. Detectarea lui cere simulări masive care să cuprindă cele mai mari scări cosmice, unde unele dintre cele mai clare semnături ar putea apărea. Totodată, simulările trebuie să aibă o rezoluție suficientă pentru a distinge halourile de materie întunecată, aglomerările mari care găzduiesc galaxii, deoarece distribuția galaxiilor este ceea ce observă sondajele precum DESI și misiunea SPHEREx a NASA.
Echipa folosește HACC, codul de cosmologie dezvoltat la Argonne, pregătit în cadrul Proiectului de Calcul Exascale al Departamentului pentru Energie să ruleze eficient pe diferite arhitecturi exascale. Înainte de rulările pe Aurora, echipa a folosit sistemul Frontier de la Laboratorul Național Oak Ridge pentru un alt tip de simulare, care a produs cea mai mare simulare hidrodinamică a universului de până acum. Pe Aurora, cercetătorii au adoptat o abordare diferită: concentrându-se doar asupra gravitației, au putut simula un volum mai mare cu mai multe particule.
Teste oarbe pentru sondajele cerului
Memoria de mare capacitate a lui Aurora a fost esențială, deoarece simulările trebuiau să păstreze date pentru trilioane de particule pe parcursul calculelor. Sistemul de stocare Distributed Asynchronous Object Storage (DAOS) a susținut cerințele uriașe de scriere: cele două simulări au generat peste 85 de petabytes prin DAOS, în mare parte puncte de salvare pentru reluarea calculelor în caz de întrerupere. Circa 8 petabytes au fost păstrați pentru analiza științifică.
Cele două simulări conțin același model cosmologic și același semnal non-gaussian, dar fazele lor inițiale sunt inversate, funcționând ca imagini statistice în oglindă. Analizate împreună, mare parte din variația aleatoare se anulează, oferind o măsurătoare mai curată a fizicii subiacente. Intensitatea semnalului este, de asemenea, mascată, astfel încât cercetătorii care își testează metodele de analiză să nu cunoască răspunsul dinainte. Verificând dacă pot recupera valoarea ascunsă din observațiile sintetice, aceștia își pot valida metodele înainte de a le aplica datelor reale.
Prin numărul de particule, calculele reprezintă cele mai mari simulări cosmologice individuale realizate vreodată. Volumul lor imens va permite construirea de hărți sintetice ale întregului cer și de observații simulate realiste pentru DESI, SPHEREx și alte sondaje, ajutând cercetătorii să identifice biasuri, să își îmbunătățească metodele de analiză și să obțină măsurători mai fiabile din datele reale.
