_ Graficarea cerului de noapte cu computere exascale

Crearea de universuri multiple pentru a vedea cum funcționează ar putea fi tentantă pentru oamenii de știință, dar evident că nu este posibil. Adică, atâta timp cât ai nevoie de universuri fizice. Dacă vă puteți descurca cu cele virtuale, există mult mai multe opțiuni.

Cosmologii dezvoltă simulări computerizate ale universului concepute să ruleze pe computere exascale. Aceste modele folosesc aceste supercalculatoare pentru a oferi noi perspective asupra trecutului și prezentului universului nostru.

Oamenii de știință dezvoltă aceste simulări pentru a-i ajuta să exploreze unele dintre cele mai mari întrebări din fizică. Cosmologii știu că materia întunecată reprezintă aproximativ 85% din masa universului.

Cu toate acestea, ei încă lucrează pentru a înțelege modul în care influențează structura universului însuși. Lumina din supernove ne-a ajutat să înțelegem că universul se extinde într-un ritm mai rapid în fiecare an. Dar „energia întunecată” care provoacă această expansiune accelerată este încă un mister.

Simulările folosesc date de observație de la telescoape care cartografiază cerul actual pentru a testa diverse ipoteze despre modul în care a evoluat universul. Biroul de Știință al DOE sprijină o serie de telescoape care preiau cantități uriașe de date. Primul lot de date de la Instrumentul spectroscopic de energie întunecată din Arizona conține informații numai despre două milioane de obiecte cerești. Când camera Legacy Survey of Space and Time (LSST) de la Observatorul Vera C. Rubin începe să colecteze date, va lua sute de imagini în fiecare noapte timp de 10 ani.

Cosmologii folosesc aceste date pentru a crea hărți masive ale cerul care se întinde cu mult dincolo de ceea ce putem vedea pe Pământ. Aceste „studii cerului” ne pot ajuta să răspundem la întrebări despre energia întunecată, materia întunecată și alte fenomene cosmice. De asemenea, simulările pot ajuta oamenii de știință să descopere cele mai bune strategii de observare a cerului – unde să se uite, cât de des și cât de adânc.

Dincolo de analiza observațiilor curente, cosmologii dezvoltă simulări care le permit să creeze multe versiuni diferite de acelasi univers. Fiecare versiune se bazează pe ipoteze diferite despre modul în care a evoluat universul. Comparând aceste versiuni cu hărțile bazate pe observații, oamenii de știință pot vedea care ipoteze pot fi cele mai apropiate de realitate.

Proiectul ExaSky s-a concentrat pe dezvoltarea acestor simulări pentru a rula pe computere exascale. Calculatoarele exascale pot efectua un miliard de miliarde de operații în virgulă mobilă (o formă de calcul) pe secundă. În comparație, ar fi nevoie de toți cei din lume care fac probleme de matematică timp de cinci ani consecutiv pentru a finaliza un număr similar de calcule manual.

Frontieră la Oak Ridge Leadership Computing Facility (o facilitate pentru utilizatori DOE Office of Science). ) a fost primul computer exascale care a fost conectat în mai 2022. Următorul — Aurora la Argonne Leadership Computing Facility (o altă facilitate pentru utilizatori) — va fi lansat în curând.

Aceste computere au atât performanța, cât și memoria necesară. gestionați cantitățile masive de calcule și date produse de simulări. Pe lângă suportul pentru facilitățile utilizatorilor, Office of Science a susținut și ExaSky prin Proiectul Exascale Computing și Programul Scientific Discovery prin Advanced Computing.

Din fericire, oamenii de știință de pe ExaSky nu au început de la zero. Acest proiect s-a bazat pe două seturi majore de coduri de computer care au alimentat simulările anterioare. Codurile simulează modul în care miliarde de galaxii s-au format și s-au aranjat în ceea ce oamenii de știință numesc rețeaua cosmică. Programele includ parametri atât despre structura, cât și despre fizica galaxiilor individuale, precum și despre modul în care acestea interacționează cu ele însele și cu materia întunecată prin gravitație.

Oamenii de știință din proiectul ExaSky au actualizat aceste coduri pentru a profita din plin de capacitățile computerelor exascale. Calculatoarele Exascale folosesc unități de procesare grafică (GPU) - asemănătoare cu cele utilizate pentru grafica jocurilor video - pentru procesare în plus față de unitățile centrale de procesare (CPU) ca într-un laptop obișnuit. Adaptarea la această formă diferită de hardware necesită adesea revizuiri substanțiale ale codurilor.

Dar rularea acestor simulări pe computere exascale are avantaje majore. Aceste computere pot rula simulări foarte mari mult mai rapid. Această viteză le permite să scurteze timpul de răspuns la anumite probleme de la luni la ore. De asemenea, le va permite să abordeze noi întrebări care anterior ar fi fost imposibil de rezolvat.

În plus, programele ExaSky pot simula o gamă uriașă de scări, de la dimensiunea celor mai mici galaxii la o distanță de mai puțin de o cincime din drumul până la marginea universului observabil. Acesta este un interval de scară de la 1 la 10 milioane.

Computerele Exascale le permit oamenilor de știință să dezvolte noi modele care pot descrie procese pe care simulările actuale nu le pot include. De exemplu, nucleele galactice active sunt zone din nucleele centrale ale galaxiilor care emit radiații. Cel mai probabil, găurile negre supermasive le cauzează.

Deși aceste nuclee galactice active sunt de milioane de ori mai masive decât soarele nostru, procesele care le formează sunt încă la o scară prea mică pentru a fi incluse simulările actuale. Simulările ExaSky vor putea include aceste fenomene folosind modele aproximative.

Cele mai mari întrebări din cosmologie și cele mai mari structuri din univers sunt greu de înțeles pentru oameni. Oamenii de știință care folosesc computere exascale pentru a rula simulări oferă perspective asupra trecutului, prezentului și viitorului universului nostru.

(Fluierul)