Para entender como o universo se formou, os astrônomos, AbacusSummit, criaram mais de 160 simulações de como a gravidade molda a distribuição da matéria escura.

O recém-lançado array de simulação cósmica é o maior já produzido, registrando coletivamente cerca de 60 trilhões de partículas.

O conjunto de simulação, chamado AbacusSummit, será útil para extrair os segredos do universo das próximas pesquisas do universo, esperam seus criadores. Eles apresentam AbacusSummit em vários artigos de pesquisa publicados recentemente em Avisos mensais da Royal Astronomical Society.

AbacusSummit é o produto de pesquisadores do Centro de Astrofísica Computacional (CCA) do Flatiron Institute (CCA) na cidade de Nova York e do Center for Astrophysics | Harvard e Smithsonian. Composto por mais de 160 simulações, ele mostra como as partículas do universo se movem devido à sua gravidade. Esses modelos, conhecidos como simulações de N-corpos, capturam o comportamento da matéria escura, uma força misteriosa e invisível que constitui 27% do universo e interage apenas por gravidade.

A coleção do AbacusSummit inclui centenas de simulações de como a gravidade molda a distribuição da matéria escura em todo o universo. Aqui, um instantâneo de uma das simulações é mostrado em uma escala de ampliação de 1,2 bilhões de anos-luz. As simulações replicam as estruturas em grande escala do nosso universo, como a teia cósmica e aglomerados massivos de galáxias. Crédito: Equipe AbacusSummit; Planejamento e design por Lucy Reading-Ikanda

diz Lehman Garrison, autor principal de um dos novos artigos e pesquisador do CCA.

Garrison liderou o desenvolvimento das simulações de bancada junto com a estudante de graduação Nina Maksimova e o professor de astronomia Daniel Eisenstein, ambos trabalhando no Center for Astrophysics. As simulações foram realizadas em um supercomputador do Departamento de Energia dos EUA no Oak Ridge Leadership Computing Facility, no Tennessee.

Muitas pesquisas espaciais produzirão mapas do universo com detalhes sem precedentes nos próximos anos. Esses dispositivos espectroscópicos de energia escura incluem (DESI), o Telescópio Espacial Roman Nancy Grace, o Observatório Vera Sea Robin e a espaçonave Euclides. Um objetivo dessas missões de grande orçamento é melhorar as estimativas dos parâmetros cosmológicos e astrofísicos que determinam como o universo se comporta e parece.

Os cientistas farão essas estimativas aprimoradas comparando as novas observações com simulações de computador do universo com diferentes valores para diferentes parâmetros – como a natureza da energia escura que separa o universo.

O contador aproveita o processamento de computador paralelo para acelerar muito seus cálculos de como as partículas se movem devido à sua gravidade. A abordagem de processamento sequencial (topo) calcula a atração entre cada par de partículas, uma a uma. O processamento paralelo (na parte inferior), em vez disso, divide o trabalho em vários núcleos de computação, permitindo que várias interações de partículas sejam computadas simultaneamente. Crédito: Lucy Reading-Ikkanda Foundation / Simons

“A próxima geração de pesquisas cosmológicas irá mapear o universo em grande detalhe e explorar uma ampla gama de questões cosmológicas”, diz Eisenstein, que é co-autor dos novos artigos do MNRAS. Mas aproveitar esta oportunidade requer uma nova geração de simulações numéricas ambiciosas. Acreditamos que o AbacusSummit será um passo ousado para a sinergia entre conta e experiência. “

O projeto de uma década foi assustador. Os cálculos de N-corpos – que tentam calcular os movimentos de objetos, como planetas, interagindo com a gravidade – têm sido o desafio número um no campo da física desde os dias de Isaac Newton. O truque vem da interação de cada objeto com todos os outros objetos, independentemente de sua distância. Isso significa que, à medida que você adiciona mais coisas, o número de interações aumenta rapidamente.

Não existe uma solução geral para o problema de N-body para três ou mais corpos massivos. Os cálculos disponíveis são apenas estimativas aproximadas. Um método comum é congelar o tempo, calcular a força total que atua em cada objeto e, em seguida, empurrar cada elemento com base na força total que ele experimenta. Então o tempo avança um pouco e o processo se repete.

Usando essa abordagem, AbacusSummit processou um grande número de partículas graças a um código inteligente, um novo método numérico e muito poder de computação. O supercomputador Summit era o mais rápido do mundo no momento em que a equipe executou os cálculos; Ainda é o computador mais rápido dos EUA

A equipe projetou a base de código para Summit AbacusSummit – chamada Abacus – para tirar o máximo proveito do poder de processamento paralelo da Summit, onde muitos cálculos podem ser realizados simultaneamente. Em particular, a Summit possui várias GPUs, ou GPUs, que se destacam no processamento paralelo.

A execução de cálculos de N-corpos usando processamento paralelo requer um projeto de algoritmo cuidadoso porque a simulação inteira requer uma grande quantidade de memória para armazenamento. Isso significa que o contador não pode apenas fazer cópias da simulação para diferentes nós do supercomputador trabalhar. Em vez disso, o código divide cada simulação em uma grade. O cálculo inicial fornece uma boa aproximação dos efeitos das partículas distantes em qualquer ponto da simulação (que desempenham um papel muito menor do que as partículas próximas). O contador então agrupa e separa as células próximas para que o computador possa trabalhar em cada grupo independentemente, combinando aproximações de partículas distantes com cálculos precisos de partículas próximas.

“O algoritmo do contador se adapta bem aos recursos dos supercomputadores modernos, fornecendo um padrão de computação muito regular para o grande paralelismo das GPUs compartilhadas”, diz Maximova.

Graças ao seu design, o contador alcançou velocidades muito altas, atualizando 70 milhões de partículas por segundo por nó do supercomputador Summit, enquanto analisava as simulações durante sua execução. Cada partícula representa uma massa de matéria escura 3 bilhões de vezes a massa do Sol.

“Nossa visão era criar esse código para fornecer as simulações necessárias para esse novo levantamento específico de galáxias”, diz Garrison. “Escrevemos o código para fazer simulações muito mais rápidas e precisas do que nunca.”

Eisenstein, membro da colaboração DESI – que recentemente iniciou sua pesquisa para mapear uma parte sem precedentes do universo – diz que está ansioso para usar o contador no futuro.

“A cosmologia está avançando devido ao amálgama interdisciplinar de observações surpreendentes e computação moderna”, diz ele. “A próxima década promete ser uma era fascinante em nosso estudo da extensão histórica do universo.”

Referência: “Abacus Top: Enorme coleção deSaúde, Simulação de corpo N de alta resolução ”por Nina A. Maksimova, Lyman H. Garrison, Daniel J. Eisenstein, Boriana Hadziska, Sunak Bose e Thomas P. Satterthwaite, 7 de setembro de 2021, mNotificações periódicas da Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093 / mnras / stab2484

Outros coautores de Abacus Summit e Abacus incluem Sihan Yuan da Stanford University, Philip Pinto da University of Arizona, Sunak Boss da Durham University na Inglaterra e o Center for Research in Astrophysics Boriana Hadjiska, Thomas Satterthwaite e Douglas Ferrer. Simulações foram executadas no supercomputador Summit sob a atribuição Advanced Computing Challenge para Scientific Computing Research.