Un equipo de físicos e informáticos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE realizó una de las cinco simulaciones cosmológicas más grandes de la historia. Los datos de la simulación informarán los mapas del cielo para ayudar a realizar experimentos cosmológicos a gran escala.
La simulación, llamada el último viaje, sigue la distribución de la masa en todo el universo a lo largo del tiempo; en otras palabras, cómo la gravedad hace que una misteriosa sustancia invisible llamada "materia oscura" se agrupe para formar estructuras de mayor escala llamadas halos.dentro del cual las galaxias se forman y evolucionan.
Los científicos realizaron la simulación en la supercomputadora Mira de Argonne. El mismo equipo de científicos ejecutó una simulación cosmológica anterior llamada Borde Exterior en 2013, pocos días después de que Mira se encendiera. Después de ejecutar simulaciones en la máquina durante sus siete años de vida, elequipo marcó el retiro de Mira con la simulación del último viaje.
The Last Journey demuestra lo lejos que ha llegado la tecnología de observación y computación en solo siete años, y contribuirá con datos y conocimientos a experimentos como el experimento de fondo de microondas cósmico basado en tierra Stage-4 CMB-S4, el Legacy Surveyof Space and Time realizado por el Observatorio Rubin en Chile, el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura y dos misiones de la NASA, el Telescopio Espacial Romano y SPHEREx.
"Trabajamos con un volumen tremendo del universo y estábamos interesados en estructuras a gran escala, como regiones de miles o millones de galaxias, pero también consideramos la dinámica a escalas más pequeñas", dijo Katrin Heitmann, subdirectora de división deDivisión de Física de Altas Energías HEP de Argonne.
El código que construyó el cosmos
El lapso de seis meses para la simulación Last Journey y las principales tareas de análisis presentaron desafíos únicos para el desarrollo de software y el flujo de trabajo. El equipo adaptó parte del mismo código utilizado para la simulación del Borde Exterior de 2013 con algunas actualizaciones significativas para hacer un uso eficiente de Mira, un sistema IBM Blue Gene / Q que se encontraba en Argonne Leadership Computing Facility ALCF, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
Específicamente, los científicos utilizaron el Código de cosmología acelerada híbrida / hardware HACC y su marco de análisis, CosmoTools, para permitir la extracción incremental de información relevante al mismo tiempo que se ejecutaba la simulación.
"Ejecutar la máquina completa es un desafío porque leer la enorme cantidad de datos producidos por la simulación es computacionalmente costoso, por lo que hay que hacer muchos análisis sobre la marcha", dijo Heitmann. "Eso es desalentador, porque si haces unerror con la configuración del análisis, no tiene tiempo para rehacerlo ".
El equipo adoptó un enfoque integrado para llevar a cabo el flujo de trabajo durante la simulación. HACC ejecutaría la simulación hacia adelante en el tiempo, determinando el efecto de la gravedad sobre la materia durante grandes porciones de la historia del universo. Una vez que HACC determinó las posiciones de billonesde partículas computacionales que representan la distribución general de la materia, CosmoTools intervendría para registrar información relevante, como encontrar los miles de millones de halos que albergan galaxias, para usar en el análisis durante el posprocesamiento.
"Cuando sabemos dónde están las partículas en un momento determinado, caracterizamos las estructuras que se han formado mediante el uso de CosmoTools y almacenamos un subconjunto de datos para utilizarlos más adelante", dijo Adrian Pope, físico y núcleo de HACC.y desarrollador de CosmoTools en la división de Ciencias Computacionales CPS de Argonne. "Si encontramos un grupo denso de partículas, eso indica la ubicación de un halo de materia oscura, y se pueden formar galaxias dentro de estos halos de materia oscura".
Los científicos repitieron este proceso entretejido, donde HACC mueve partículas y CosmoTools analiza y registra datos específicos, hasta el final de la simulación. Luego, el equipo utilizó características de CosmoTools para determinar qué grupos de partículas probablemente albergarían galaxias.referencia, alrededor de 100 a 1000 partículas representan galaxias individuales en la simulación.
"Moveríamos partículas, haríamos análisis, moveríamos partículas, haríamos análisis", dijo Pope. "Al final, volveríamos a revisar los subconjuntos de datos que habíamos elegido cuidadosamente para almacenar y ejecutar análisis adicionales para obtener más informaciónen la dinámica de la formación de estructuras, como qué halos se fusionaron y cuáles terminaron orbitando entre sí ".
Usando el flujo de trabajo optimizado con HACC y CosmoTools, el equipo ejecutó la simulación en la mitad del tiempo esperado.
contribución comunitaria
La simulación del último viaje proporcionará los datos necesarios para que otros experimentos cosmológicos importantes se utilicen al comparar observaciones o sacar conclusiones sobre una serie de temas. Estos conocimientos podrían arrojar luz sobre temas que van desde misterios cosmológicos, como el papel de la materia oscura y la oscuridad.energía en la evolución del universo, a la astrofísica de la formación de galaxias en todo el universo.
"Este enorme conjunto de datos que están construyendo se utilizará en muchos esfuerzos diferentes", dijo Katherine Riley, directora de ciencia en ALCF. "Al final, esa es nuestra misión principal: ayudar a que se haga ciencia de alto impacto. Cuandono solo puedes hacer algo genial, sino también alimentar a toda una comunidad, esa es una gran contribución que tendrá un impacto durante muchos años ".
La simulación del equipo abordará numerosas preguntas fundamentales en cosmología y es esencial para permitir el refinamiento de los modelos existentes y el desarrollo de nuevos, impactando tanto los estudios cosmológicos en curso como los próximos.
"No estamos tratando de hacer coincidir ninguna estructura específica en el universo real", dijo Pope. "Más bien, estamos haciendo estructuras estadísticamente equivalentes, lo que significa que si miramos a través de nuestros datos, podríamos encontrar ubicaciones donde galaxias del tamaño delLa Vía Láctea viviría. Pero también podemos usar un universo simulado como herramienta de comparación para encontrar tensiones entre nuestra comprensión teórica actual de la cosmología y lo que hemos observado ".
buscando exascala
"Pensando en cuando ejecutamos la simulación del Borde Exterior, realmente se puede ver hasta dónde han llegado estas aplicaciones científicas", dijo Heitmann, quien realizó Borde Exterior en 2013 con el equipo HACC y Salman Habib, director de la división CPS y Argonne DistinguishedCompañero. "Fue increíble ejecutar algo sustancialmente más grande y más complejo que aportará tanto a la comunidad".
Mientras Argonne trabaja hacia la llegada de Aurora, la próxima supercomputadora de exaescala de la ALCF, los científicos se están preparando para simulaciones cosmológicas aún más extensas. Los sistemas de computación a exaescala podrán realizar mil millones de millones de cálculos por segundo, 50 veces más rápido que muchos delas supercomputadoras más poderosas que operan en la actualidad.
"Hemos aprendido y adaptado mucho durante la vida útil de Mira, y esta es una oportunidad interesante para mirar hacia atrás y hacia adelante al mismo tiempo", dijo Pope. "Al prepararnos para simulaciones en máquinas de exaescala y una nueva décadade progreso, estamos refinando nuestro código y herramientas de análisis, y nos preguntamos qué no estábamos haciendo debido a las limitaciones que hemos tenido hasta ahora ".
El último viaje fue una simulación solo de gravedad, lo que significa que no consideró interacciones como la dinámica de los gases y la física de la formación de estrellas. La gravedad es el actor principal en la cosmología a gran escala, pero los científicos esperan incorporar otra física en el futuro.simulaciones para observar las diferencias que hacen en cómo la materia se mueve y se distribuye a través del universo a lo largo del tiempo.
"Cada vez encontramos más relaciones estrechamente acopladas en el mundo físico, y para simular estas interacciones, los científicos tienen que desarrollar flujos de trabajo creativos para procesar y analizar", dijo Riley. "Con estas iteraciones, es posible llegar asus respuestas, y sus avances, aún más rápido ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Argonne . Original escrito por Savannah Mitchem. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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