Để hiểu cách vũ trụ hình thành, các nhà thiên văn học, AbacusSummit, đã tạo ra hơn 160 mô phỏng về cách lực hấp dẫn định hình sự phân bố của vật chất tối.

Mảng mô phỏng vũ trụ mới được phát hành là mảng lớn nhất từng được sản xuất, ghi lại gần 60 nghìn tỷ hạt.

Bộ mô phỏng, được gọi là AbacusSummit, sẽ hữu ích để rút ra những bí mật của vũ trụ từ các cuộc khảo sát sắp tới về vũ trụ, những người tạo ra nó mong đợi. Họ trình bày AbacusSummit trong một số tài liệu nghiên cứu được xuất bản gần đây trong Thông báo hàng tháng của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia.

AbacusSummit là sản phẩm của các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Vật lý Thiên văn Tính toán (CCA) của Viện Flatiron (CCA) ở Thành phố New York và Trung tâm Vật lý Thiên văn | Harvard và Smithsonian. Bao gồm hơn 160 mô phỏng, nó mô tả cách các hạt trong vũ trụ chuyển động do lực hấp dẫn của chúng. Những mô hình này, được gọi là mô phỏng vật thể N, ghi lại hành vi của vật chất tối, một lực bí ẩn và vô hình chiếm 27% vũ trụ và chỉ tương tác bằng lực hấp dẫn.

Bộ sưu tập của AbacusSummit bao gồm hàng trăm mô phỏng về cách lực hấp dẫn định hình sự phân bố của vật chất tối trong toàn vũ trụ. Ở đây, ảnh chụp nhanh của một trong những mô phỏng được hiển thị ở quy mô phóng đại 1,2 tỷ năm ánh sáng. Các mô phỏng tái tạo các cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ của chúng ta, chẳng hạn như mạng vũ trụ và các cụm thiên hà khổng lồ. Tín dụng: AbacusSummit Team; Lập kế hoạch và thiết kế bởi Lucy Reading-Ikanda

Lehman Garrison, tác giả chính của một trong những bài báo mới và là thành viên nghiên cứu tại CCA cho biết.

Garrison đã dẫn đầu sự phát triển của các mô phỏng trên mặt bàn cùng với nghiên cứu sinh Nina Maksimova và giáo sư thiên văn học Daniel Eisenstein, cả hai đều làm việc tại Trung tâm Vật lý Thiên văn. Mô phỏng được thực hiện trên một siêu máy tính của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ tại Cơ sở Máy tính Lãnh đạo Oak Ridge ở Tennessee.

Nhiều cuộc khảo sát không gian sẽ tạo ra bản đồ vũ trụ chi tiết chưa từng có trong những năm tới. Các thiết bị quang phổ năng lượng tối này bao gồm (DESI), Kính viễn vọng Không gian Roman Nancy Grace, Đài quan sát Vera Sea Robin và tàu vũ trụ Euclid. Một mục tiêu của các sứ mệnh kinh phí lớn này là cải thiện các ước tính về các thông số vũ trụ và vật lý thiên văn nhằm xác định cách thức hoạt động và hình dạng của vũ trụ.

Các nhà khoa học sẽ đưa ra các ước tính cải tiến này bằng cách so sánh các quan sát mới với các mô phỏng máy tính về vũ trụ với các giá trị khác nhau cho các thông số khác nhau – chẳng hạn như bản chất của năng lượng tối ngăn cách vũ trụ.

Bộ đếm tận dụng quá trình xử lý máy tính song song để tăng tốc độ tính toán của nó về cách các hạt di chuyển do trọng lực của chúng. Phương pháp xử lý tuần tự (trên cùng) tính toán lực hút giữa từng cặp hạt một. Thay vào đó, quá trình xử lý song song (ở dưới cùng) phân chia hoạt động trên nhiều lõi điện toán, cho phép nhiều tương tác hạt được tính toán đồng thời. Tín dụng: Lucy Reading-Ikkanda Foundation / Simons

Eisenstein, đồng tác giả của bài báo MNRAS mới cho biết: “Thế hệ tiếp theo của các cuộc khảo sát vũ trụ sẽ lập bản đồ vũ trụ một cách chi tiết và khám phá một loạt các câu hỏi về vũ trụ”. Nhưng việc tận dụng cơ hội này đòi hỏi một thế hệ mô phỏng số đầy tham vọng mới. Chúng tôi tin rằng AbacusSummit sẽ là một bước đi táo bạo cho sức mạnh tổng hợp giữa tài khoản và kinh nghiệm. “

Dự án kéo dài hàng thập kỷ là một dự án khó khăn. Tính toán vật thể N – nhằm tính toán chuyển động của các vật thể, chẳng hạn như hành tinh, tương tác với lực hấp dẫn – đã là thách thức số một trong lĩnh vực vật lý kể từ thời Isaac Newton. Bí quyết đến từ sự tương tác của mỗi đối tượng với mọi đối tượng khác, bất kể khoảng cách của nó. Điều này có nghĩa là khi bạn thêm nhiều thứ hơn, số lượng tương tác sẽ tăng lên nhanh chóng.

Không có giải pháp chung nào cho vấn đề N-body cho ba hoặc nhiều vật thể khổng lồ. Các tính toán có sẵn chỉ là ước tính sơ bộ. Một phương pháp phổ biến là đóng băng thời gian, tính toán tổng lực tác dụng lên từng vật thể, sau đó đẩy từng phần tử dựa trên tổng lực mà vật đó phải chịu. Sau đó, thời gian di chuyển về phía trước một chút, và quá trình lặp lại.

Sử dụng cách tiếp cận này, AbacusSummit đã xử lý số lượng lớn các hạt nhờ mã thông minh, một phương pháp số mới và rất nhiều sức mạnh tính toán. Siêu máy tính Summit là nhanh nhất thế giới tại thời điểm nhóm thực hiện các phép tính; Vẫn là máy tính nhanh nhất ở Mỹ

Nhóm đã thiết kế cơ sở mã cho Summit AbacusSummit – được gọi là Abacus – để tận dụng tối đa sức mạnh xử lý song song của Summit, nơi nhiều phép tính có thể được thực hiện đồng thời. Đặc biệt, Summit tự hào có một số GPU hay còn gọi là GPU vượt trội ở khả năng xử lý song song.

Việc chạy các phép tính N-body sử dụng xử lý song song yêu cầu thiết kế thuật toán cẩn thận vì toàn bộ mô phỏng yêu cầu một lượng lớn bộ nhớ để lưu trữ. Điều này có nghĩa là bộ đếm không chỉ có thể tạo bản sao mô phỏng cho các nút khác nhau của siêu máy tính hoạt động. Thay vào đó, mã chia từng mô phỏng thành một lưới. Tính toán ban đầu cung cấp một sự xấp xỉ công bằng về tác động của các hạt ở xa tại bất kỳ điểm nào trong mô phỏng (đóng vai trò nhỏ hơn nhiều so với các hạt ở gần). Sau đó, bộ đếm sẽ nhóm và tách các ô lân cận để máy tính có thể làm việc trên từng nhóm một cách độc lập, kết hợp các phép tính gần đúng của các hạt ở xa với tính toán chính xác của các hạt gần đó.

Maximova nói: “Thuật toán bộ đếm rất phù hợp với khả năng của các siêu máy tính hiện đại, cung cấp một mô hình tính toán rất thường xuyên cho tính song song lớn của các GPU dùng chung.

Nhờ thiết kế của nó, bộ đếm đã đạt được tốc độ rất cao, làm mới 70 triệu hạt mỗi giây trên mỗi nút của siêu máy tính Summit, đồng thời phân tích mô phỏng khi chúng đang chạy. Mỗi hạt đại diện cho một khối lượng vật chất tối gấp 3 tỷ lần khối lượng Mặt trời.

Garrison nói: “Tầm nhìn của chúng tôi là tạo ra mã này để cung cấp các mô phỏng cần thiết cho cuộc khảo sát thiên hà cụ thể hoàn toàn mới này. “Chúng tôi đã viết mã để làm cho các mô phỏng nhanh hơn và chính xác hơn bao giờ hết.”

Eisenstein, một thành viên của sự hợp tác DESI – gần đây đã bắt đầu cuộc khảo sát để lập bản đồ một phần chưa từng có của vũ trụ – cho biết anh ấy rất háo hức sử dụng bộ đếm trong tương lai.

Ông nói: “Vũ trụ học đang phát triển vượt bậc nhờ sự kết hợp liên ngành của các quan sát đáng kinh ngạc và máy tính hiện đại. “Thập kỷ tới hứa hẹn sẽ là một thời đại hấp dẫn trong nghiên cứu của chúng tôi về cuộc càn quét lịch sử của vũ trụ.”

Tham khảo: “Abacus Top: Bộ sưu tập khổng lồ củaSức khỏe, Mô phỏng N-body có độ phân giải cao ”của Nina A. Maksimova, Lyman H. Garrison, Daniel J. Eisenstein, Boriana Hadziska, Sunak Bose và Thomas P. Satterthwaite, ngày 7 tháng 9 năm 2021, mThông báo định kỳ của Hiệp hội Thiên văn Hoàng gia.
DOI: 10.1093 / mnras / đâm2484

Các đồng tác giả khác của Abacus Summit và Abacus bao gồm Sihan Yuan của Đại học Stanford, Philip Pinto của Đại học Arizona, Sunak Boss của Đại học Durham ở Anh và Trung tâm Nghiên cứu Vật lý Thiên văn Boriana Hadjiska, Thomas Satterthwaite và Douglas Ferrer. Mô phỏng đã được chạy trên siêu máy tính Summit theo nhiệm vụ Thử thách Máy tính Nâng cao dành cho Nghiên cứu Máy tính Khoa học.