El mayor misterio al que se enfrentan los astrónomos y cosmólogos en la actualidad es el papel de la gravedad y la expansión cósmica en la evolución del universo.Para desentrañar este misterio, los astrónomos y cosmólogos están adoptando un enfoque doble.Consisten en la observación directa del universo para observar el funcionamiento de estas fuerzas e intentar encontrar una solución teórica al comportamiento observado.materia oscuraYenergía oscura.
Entre estos dos enfoques, los científicos modelan la evolución del universo con simulaciones por computadora para garantizar que las observaciones coincidan con las predicciones teóricas.el último entre ellosparte superior del ábaco, un conjunto de simulaciones creado por el Instituto FlatironCentro de Astrofísica Computacional(ACC) yCentro Harvard-Smithsonian de Astrofísica(CfA).casi manejable60 billones de partículas, esta suite es la simulación cosmológica más grande jamás realizada.
Los creadores de AbacusSummit han publicado un conjunto de simulaciones en una serie de artículos.Aviso mensual de la Royal Astronomical Society(MNRAS).Este modelo, que consta de más de 160 simulaciones, modela cómo se comportan las partículas en un entorno en forma de caja debido a la atracción gravitacional.Estos modelos se conocen como simulaciones de N-cuerpos y son únicos para modelar cómo la materia oscura interactúa con la materia de partículas pesadas (“visible”).
El desarrollo del conjunto de simulaciones de AbacusSummit estuvo a cargo de Lehman Garrison (investigador de CCA) y Nina Maksimova, y Daniel Eisenstein (cada uno), un estudiante graduado y profesor de astronomía de CfA.la simulación essupercomputadora cumbredesdeInstalación informática de liderazgo de Oak Ridge(ORLCF) Tennessee: supervisado por el Departamento de Energía de EE. UU. (DoE).
Computar N-cuerpo, que consiste en calcular las interacciones gravitatorias de los planetas con otros objetos, es uno de los mayores desafíos que enfrentan los astrofísicos en la actualidad.Una de las partes que lo dificulta es que cada objeto interactúa con todos los demás objetos, sin importar qué tan lejos estén. Cuantas más materias estudies, más interacciones tendrás que tener en cuenta.
Hasta la fecha, todavía no existe una solución al problema de N-cuerpos que involucra tres o más objetos gigantes, y los cálculos disponibles son solo aproximaciones.Por ejemplo, la matemática de calcular la interacción de tres objetos, como un sistema binario y un planeta (conocido como el “problema de los tres cuerpos”), aún no se ha resuelto.Un enfoque común en las simulaciones cosmológicas es detener el reloj, calcular la fuerza total que actúa sobre cada objeto, avanzar lentamente en el tiempo y repetir.
Para el estudio dirigido por Maksimova, el equipo diseñó un código base (llamado Abacus) para aprovechar el poder de procesamiento paralelo de Summit para ejecutar múltiples cálculos simultáneamente.También se basan en algoritmos de aprendizaje automático y nuevos métodos numéricos para calcular 70 millones de partículas por nodo inicialmente y 45 millones de actualizaciones de partículas por nodo a altas horas de la noche.
Garrison explicó en un reciente comunicado de prensa de CCA:
“Esta suite es tan grande que podría tener más partículas que cualquier otra simulación de N-cuerpos ejecutada hasta ahora. Pero es difícil estar seguro.Los estudios galácticos proporcionan mapas muy detallados del universo, y necesitamos simulaciones ambiciosas que cubran el vasto universo en el que podemos estar viviendo.
“AbacusSummit es el primer conjunto de simulaciones que presenta estas asombrosas observaciones y una amplitud y fidelidad comparables… Nuestra visión era crear este código para proporcionar las simulaciones necesarias para esta nueva marca de investigaciones galácticas.Escribimos el código para hacer simulaciones más rápidas y precisas que nunca”.
Además del problema general, ejecutar una simulación completa de cálculos de N cuerpos requiere un diseño cuidadoso del algoritmo debido a todo el almacenamiento de memoria involucrado.Esto significaba que Abacus no podía hacer copias de las simulaciones para que trabajaran otros nodos de supercomputadoras, sino que dividía cada simulación en una cuadrícula.Consiste en un cálculo aproximado de partículas distantes que juegan un papel menor que las cercanas.
Luego divide las partículas cercanas en varias celdas para que la computadora pueda trabajar en cada una de ellas de forma independiente y luego combina los resultados de cada una con una aproximación de las partículas distantes.El equipo descubrió que este enfoque (partición uniforme) utiliza mejor el paralelismo y puede calcular una gran cantidad de aproximaciones de partículas distantes antes de que comience la simulación.
Esta es una mejora significativa con respecto a otras bases de código de N-cuerpo que dividen aleatoriamente la simulación en función de la distribución de partículas.Gracias a su diseño, Abacus puede actualizar 70 millones de partículas por nodo/seg (cada partícula representa una masa de materia oscura con 3 mil millones de masas solares).También puede analizar simulaciones en ejecución y buscar parches de materia oscura que indiquen la presencia de galaxias brillantes que forman estrellas.
Estos y otros objetos cosmológicos serán objeto de futuras investigaciones que cartografiarán el universo con un detalle sin precedentes.Éstos incluyen:espectroscopia de energía oscura(DESI),Telescopio espacial romano Nancy Grace(RST) y ESAEuclidesastronave.Uno de los objetivos de estas misiones de gran presupuesto es mejorar las estimaciones de los parámetros cósmicos y astrofísicos que determinan cómo se comporta y se ve el universo.
Esto, a su vez, permite simulaciones más detalladas utilizando valores actualizados para varios parámetros como Dark Energy.Daniel J. Eisenstein, investigador de CfA y coautor de este artículo, también es miembro de la colaboración DESI.Él y otros como él esperan con ansias lo que Abacus puede hacer por estas exploraciones espaciales en los próximos años.
“La cosmología está dando un salto adelante debido a la convergencia multidisciplinaria de observaciones espectaculares y computación de vanguardia”, dijo.“La próxima década será un momento asombroso en el estudio del recorrido histórico del universo”.
Otras lecturas:Fundación Simmons,MNRAS