Дослідницька група з Каліфорнійського університету в Санта-Крузі використала суперкомп’ютер Summit Обчислювального центру Oak Ridge Leadership Computing Facility для запуску однієї з найповніших космологічних моделей для дослідження властивостей темної матерії – гіпотетичної космічної павутини Всесвіту, яка залишається загадкою через 90 років після того, як її існування було остаточно теоретично обґрунтоване.
Згідно з Лямбда-моделлю холодної темної матерії космології Великого вибуху – робочою моделлю Всесвіту, яка, на думку багатьох астрофізиків, дає найбільш розумне пояснення того, чому він є таким, яким він є – 85% всієї матерії у Всесвіті становить темна матерія. Але що таке темна матерія?
“Ми знаємо, що у Всесвіті багато темної матерії, але не маємо жодного уявлення про те, з чого вона складається, що це за частинки. Ми лише знаємо, що вона існує через її гравітаційний вплив”, – сказав Бруно Вілласенор, колишній докторант UCSC і провідний автор статті команди, яка нещодавно була опублікована в Physical Review D. – “Але якщо ми зможемо обмежити властивості темної матерії, яку ми бачимо, тоді ми зможемо відкинути деяких можливих кандидатів”.
Провівши понад 1000 гідродинамічних симуляцій з високою роздільною здатністю на суперкомп’ютері Summit, розташованому в Окриджській національній лабораторії Міністерства енергетики США, команда змоделювала Ліс Лаймана-Альфа, який являє собою серію поглинаючих ділянок, що утворюються, коли світло від далеких яскравих об’єктів, які називаються квазарами, стикається з речовиною на своєму шляху до Землі. Ці ділянки розсіяного космічного газу рухаються з різною швидкістю, мають різну масу і протяжність, утворюючи “ліс” ліній поглинання.
Потім дослідники змоделювали всесвіти з різними властивостями темної матерії, які впливають на структуру космічної павутини, змінюючи флуктуації лісу Лайман-Альфа. Команда порівняла результати моделювання з флуктуаціями реального лісу Лайман-Альфа, які спостерігаються телескопами Обсерваторії ім. В. М. Кека та Дуже великого телескопа Європейської південної обсерваторії, а потім виключила претендентів на темну матерію, доки не знайшла найближчий відповідник.
Отже, результати команди суперечили основному твердженню моделі Lambda-CDM про те, що темна матерія Всесвіту є холодною темною матерією – звідси й абревіатура моделі, яка вказує на повільну теплову швидкість темної матерії, а не на її температуру. Натомість головна перспектива дослідження вказує на протилежне припущення: Можливо, ми справді живемо у всесвіті теплої темної матерії з більшими тепловими швидкостями.
“Lambda-CDM забезпечує успішний погляд на величезний спектр спостережень в астрономії та космології. Але в цьому фундаменті є невеликі тріщини. І що ми насправді намагаємося зробити, так це натиснути на ці тріщини та подивитися, чи є проблеми з цією фундаментальною основою. Чи стоїмо ми на твердому ґрунті?”, – сказав Брант Робертсон, керівник проєкту і професор кафедри астрономії та астрофізики Університету Каліфорнії.
Окрім того, що проєкт UCSC, можливо, поставив під сумнів кілька давніх припущень про темну матерію і сам всесвіт, він також вирізняється своїми обчислювальними досягненнями. Команда виконала безпрецедентно повний набір симуляцій, створених за допомогою найсучаснішого програмного забезпечення для моделювання, яке враховує фізику, що формує структуру космічної павутини, і використовує обчислювальну потужність найбільших суперкомп’ютерів у світі.
Команда UCSC використала оптимізований для GPU код гідродинаміки під назвою Cholla, або Обчислювальна гідродинаміка на паралельних архітектурах, як відправну точку для своїх симуляцій на Саміті. Розроблений Еваном Шнайдером (Evan Schneider), доцентом кафедри фізики та астрономії Піттсбурзького університету, Cholla спочатку був призначений для того, щоб допомогти користувачам краще зрозуміти, як гази у Всесвіті змінюються з часом, діючи як вирішувач задач динаміки рідини. Однак команді UCSC для роботи над проєктом з темної матерії знадобилося ще кілька фізичних розв’язувачів, тож Вільясенор інтегрував їх у Cholla протягом трьох років для своєї докторської дисертації в UCSC.
“По суті, мені довелося розширити Cholla, додавши трохи фізики: фізики гравітації, фізики темної матерії, фізики всесвіту, що розширюється, фізики хімічних властивостей газів і хімічних властивостей водню і гелію”, – сказав Вільясенор. “Як газ буде нагріватися під дією випромінювання у Всесвіті? Як це вплине на розподіл газу? Ці фізичні знання необхідні для проведення такого роду космологічних гідродинамічних симуляцій”.
У процесі роботи Вілласенор зібрав один з найповніших симуляційних кодів для моделювання Всесвіту. Раніше астрофізикам зазвичай доводилося вибирати, які параметри включати у свої симуляції. Тепер, у поєднанні з обчислювальною потужністю Summit, вони мають у своєму розпорядженні набагато більше фізичних параметрів.
“Бруно зробив те, що дослідники хотіли зробити протягом багатьох років, і що стало можливим лише завдяки суперкомп’ютерним системам в OLCF: фактично змінити фізику Всесвіту кардинально різними способами”, – сказав Робертсон. “Це величезний крок вперед – мати можливість одночасно пов’язувати фізику і робити це таким чином, щоб можна було порівнювати її безпосередньо зі спостереженнями.
“Раніше просто не було можливості зробити щось подібне. Це на порядки, з точки зору обчислювальної складності, виходить за рамки того, що було зроблено раніше”.
Шнайдер, яка консультувала Вілласенора в його роботі над розширенням Cholla, сказала, що вважає його доповнення “абсолютно критично важливими”, оскільки вона готує Cholla для власних симуляцій на новому суперкомп’ютері ексафлоплексного класу Frontier, який разом з Summit розміщений в OLCF, користувацькому об’єкті Управління науки Міністерства енергетики США в ORNL. Вона очолює проєкт в рамках програми Frontier Center for Accelerated Application Readiness для моделювання галактики Чумацький Шлях і буде використовувати деякі з розв’язувачів, доданих Вілласенором.
“Програмне забезпечення для астрофізики дуже відрізняється від інших видів програмного забезпечення, тому що я не думаю, що коли-небудь існує якась остаточна версія, і це, звичайно, не стосується Cholla”, – сказала Шнайдер. “Ви можете думати про Cholla як про мультиінструмент, тож чим більше частин ми додаємо до нашого мультиінструменту, тим більше типів проблем ми можемо вирішити. Якщо я створив початковий інструмент як кишеньковий ніж, то Бруно додав до нього викрутку – з’явився цілий клас проблем, які ми можемо вирішувати, але не могли вирішити за допомогою початкового коду. Оскільки ми продовжуємо додавати все більше і більше речей, ми зможемо вирішувати все складніші проблеми”.
Читайте також:
View Comments
лохи) тема матерія -це суперкомпьютер).