Суперкомпьютер Aurora выполнил два расчёта, суммарно охватив 26,8 триллиона частиц
Учёные Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США завершили две крупномасштабные космологические симуляции, в каждой из которых прослеживалась эволюция 13,4 триллиона частиц тёмной материи. В сумме модели описывают поведение 26,8 триллиона частиц в объёме шириной 28,6 миллиарда световых лет. Для вычислений использовали суперкомпьютер Aurora, способный выполнять более одного квинтиллиона операций в секунду.
Что именно моделировали и зачем
В симуляциях частицы тёмной материи выступали в роли индикаторов, позволяющих отслеживать её распределение и движение на протяжении космической истории. Хотя тёмная материя не испускает излучения, регистрируемого телескопами, её гравитационное влияние определяет формирование галактик и крупномасштабной структуры Вселенной. По словам руководителя проекта, вычислительного физика Николаса Фронтьера, такие расчёты нужны, в частности, для проверки гипотез о космической инфляции — коротком периоде очень быстрого расширения ранней Вселенной, при котором квантовые флуктуации могли превратиться в крупные неоднородности, послужившие основой последующего гравитационного роста структур.
Методы и организационные приёмы
Обе симуляции базировались на одной космологической модели и несли схожий сигнал, однако начальные фазы в них были перевёрнуты. Такой приём позволяет частично компенсировать случайные вариации при совместном анализе и уменьшить влияние космической дисперсии — статистической неопределённости, вызванной тем, что наблюдаемая Вселенная имеет конечный объём. Кроме того, исследователи скрыли силу сигнала от команд, проверяющих аналитические методы, чтобы провести «слепую» проверку: это даёт возможность оценить, насколько алгоритмы способны восстановить исходный сигнал без заранее известных параметров.
Технические подробности расчётов
Каждая симуляция выполнялась примерно на 8 100 вычислительных узлах и использовала около 50 000 графических процессоров. Весь процесс — от вычислений до анализа результатов — занял порядка четырёх дней. Для расчёта применялся код, разработанный в Аргоннской лаборатории специально для моделирования космологических процессов на суперкомпьютерах.
Объём данных и дальнейшие применения
Во время двух запусков система хранения Aurora записала более 85 петабайт данных, в основном контрольных копий на случай сбоя; из них около 8 петабайт оставлено для научного анализа. Полученные модели будут использованы для создания искусственных карт всего неба и имитаций наблюдений, которые пригодятся спектроскопическому обзору тёмной энергии DESI и космической миссии NASA SPHEREx. Такие имитации помогают проверять методы обработки наблюдений и выявлять систематические ошибки до анализа реальных измерений.
Ограничения и цель измерений
Учёные стремятся обнаружить возможные отклонения от стандартного статистического описания начальных флуктуаций — то есть подтвердить или опровергнуть разные модели инфляции. Ожидаемый сигнал при этом очень слаб, а точность измерений ограничена космической дисперсией, поэтому для достижения чувствительности нужно одновременно моделировать огромные объёмы и сохранять достаточное пространственное разрешение, чтобы корректно воспроизводить гало тёмной материи, в которых формируются галактики.
