إن محاكاة الكون العملاق بمليارات السنين الضوئية هائلة

أعظم الألغاز التي تواجه علماء الفلك وعلماء الكون اليوم هي دور الجاذبية والتوسع الكوني في تطور الكون.

لحل هذه الألغاز ، يتخذ علماء الفلك وعلماء الكونيات نهجًا ذا شقين. وتشمل هذه الملاحظة المباشرة للكون ، لمراقبة كيفية عمل هذه القوى عند محاولة إيجاد استنتاجات نظرية للسلوكيات المرصودة. المادة المظلمة و الطاقة المظلمة.

بين هذين النهجين ، يقوم العلماء بنمذجة التطور الكوني باستخدام المحاكاة الحاسوبية لمعرفة ما إذا كانت الملاحظات متوافقة مع التوقعات النظرية. الأحدث في ذلك قمة العداد، حزمة محاكاة طورها معهد فلاتيرون مركز علم الفلك الحسابي (CCA) و مركز هارفارد سميثسونيان الفلكي (CfA).

تقريبا قادر على المعالجة 60 تريليون جسيم، هذه المجموعة هي أكبر محاكاة كونية تم إجراؤها على الإطلاق.

أعلن مبتكرو AbacusSummit عن حزمة المحاكاة في سلسلة من الوثائق. الإعلانات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية (MNRAS).

مصنوعة من أكثر من 160 محاكاة ، وهي توضح كيفية عمل الجسيمات في بيئة على شكل صندوق بسبب الجاذبية. تسمى هذه النماذج بمحاكاة N-body وهي متأصلة في كيفية النمذجة المادة المظلمة بارونيك (أخت. “مرئية”) تتفاعل مع الكائن.

قاد تطوير مجموعة محاكاة AbacusSummit Lehman Garrison (زميل بحث في CCA) ونينا ماكسيموفا ودانييل آيزنشتاين ، وهو طالب دراسات عليا وأستاذ علم الفلك مع CfA (على التوالي).

تمكين المحاكاة حاسوب عملاق ساميت في مرفق حوسبة أوك ريدج للقيادة (ORLCF) في ولاية تينيسي – تحت إشراف وزارة الطاقة الأمريكية (DoE).

تعد حسابات N-body التي تتضمن تفاعلات الجاذبية للكواكب والأجسام الأخرى واحدة من أكبر التحديات التي تواجه علماء الفلك اليوم.

حقيقة أن كل كائن يتفاعل مع بعضه البعض ، بغض النظر عن بعده ، يعد منطقة مهددة – فكلما زاد عدد الكائنات قيد الدراسة ، يجب أخذ المزيد من التفاعلات في الاعتبار.

حتى الآن ، لا يوجد حتى الآن حل لمشاكل الجسم N التي تنطوي على ثلاثة أجسام ضخمة أو أكثر ، والحسابات المتاحة تقريبية فقط. على سبيل المثال ، الرياضيات لحساب تفاعلات ثلاثة أجسام ، مثل نظام النجم الثنائي والكوكب (المعروفة باسم “مشكلة الأجسام الثلاثة”) ، لم يتم حلها بعد.

تتمثل الطريقة الشائعة في عمليات المحاكاة الكونية في إيقاف الساعة ، وحساب القوة الكلية المؤثرة على كل جسم ، وتحريك الوقت ببطء والتكرار.

بسبب بحثهم (الذي قاده ماكسيموفا) ، صمم الفريق منصة الترميز الخاصة بهم (تسمى العداد) للاستفادة من قوة المعالجة المتوازية للقمة – مما يسمح بإجراء عمليات حسابية متعددة في وقت واحد.

كما اعتمدوا التعلم الميكانيكي خوارزميات ونظام ترقيم جديد سمح بـ 70 مليون جسيم لكل عقدة في الأيام الأولى و 45 مليون ترقية لكل عقدة لاحقًا.

وأوضح حامية مؤخرا بيان صحفي CCA:

“هذه المجموعة كبيرة جدًا لدرجة أنها تحتوي على جسيمات أكثر من جميع عمليات محاكاة الجسم N الأخرى التي تم تشغيلها حتى الآن – من الصعب الجزم بذلك على وجه اليقين.

“Abacus Summit هي المجموعة الأولى من عمليات المحاكاة لمثل هذا الاتساع والموثوقية التي يمكن مقارنتها بهذه الملاحظات الرائعة … كانت رؤيتنا هي إنشاء هذا الرمز لتوفير عمليات المحاكاة اللازمة لهذا المسح الجديد للمجرة. المحاكاة أسرع من أي وقت مضى “.

بالإضافة إلى التحديات المعتادة ، يجب أن يتم تصميم الخوارزميات بعناية بحيث تكون جميع وحدات تخزين الذاكرة متاحة لتشغيل عمليات محاكاة كاملة لحسابات N-body.

هذا يعني أن العداد لم يتمكن من إنشاء نسخ من المحاكاة للعمل على عقد مختلفة للحواسيب العملاقة وبدلاً من ذلك قسم كل محاكاة إلى مرحلة واحدة. هذا يخلق حسابات تقريبية للجسيمات البعيدة ، والتي تلعب دورًا أصغر من الجسيمات القريبة.

يقسم الجسيمات المجاورة إلى عدة خلايا بحيث يمكن للنظام العمل بشكل مستقل على كل خلية ثم يجمع نتائج كل منها مع تقريب الجسيمات البعيدة.

وجد فريق البحث أن هذا النهج (المقاطع المنتظمة) يستفيد بشكل أفضل من المعالجة المتوازية ويسمح بحساب تقريب المسافة بين الجسيمات قبل بدء المحاكاة.

يعد هذا تحسنًا كبيرًا على قواعد رموز N-body الأخرى التي تفصل عمليات المحاكاة بشكل عشوائي بناءً على توزيع الجسيمات.

بفضل تصميمه ، يمكن للمعداد معالجة ما يصل إلى 70 مليون جسيم في كل عقدة / ثانية (يمثل كل جسيم هنا مجموعة من المادة المظلمة بكتلة تبلغ ثلاثة مليارات كتلة شمسية). أثناء تشغيله يمكنه تحليل المحاكاة والبحث عن روابط للمادة المظلمة التي تشير إلى وجود المجرات التي تشكل نجمًا ساطعًا.

ستكون هذه الأشياء وغيرها من الكائنات الكونية موضوع بحث مستقبلي ، والذي سيرسم الكون بتفاصيل غير مسبوقة. هذا يشمل أداة طيفية للطاقة المظلمة (DESI) ، و تلسكوب نانسي جريس الروماني الفضائي (RST) و ESAs إقليدس مركبة فضائية.

يتمثل أحد أهداف هذه المهام ذات الميزانية الكبيرة في تحسين تقديرات المعلمات الكونية والفلكية التي تحدد كيفية عمل الكون وكيفية وجوده.

هذا يسمح لعمليات المحاكاة التفصيلية التي تستخدم القيم المحسنة لمعلمات مختلفة. الطاقة المظلمة.

دانيال ج. آيزنشتاين ، باحث في CfA ومؤلف مشارك للورقة ، هو عضو في تعاون DESI. يتطلع هو وغيره من أمثاله إلى رؤية ما يمكن أن يفعله العداد لهذه الدراسات الكونية في السنوات القادمة.

وقال: “إن علم الكونيات يمضي قدمًا بسبب الاندماج متعدد الاستخدامات للأرصاد الرائعة والحوسبة المتطورة”.

“إن العقد المقبل يعد بأن يكون حقبة مثيرة في دراستنا للاكتساح التاريخي للكون.”

تم نشر هذه المقالة في الأصل الكون اليوم. واصل القراءة المقالة الأصلية.