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 servirán de base a los mapas del cielo para ayudar a realizar experimentos cosmológicos a gran escala.

La simulación llamado el último viaje, sigue la distribución de 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 a mayor escala llamadas halos, dentro del cual se forman y evolucionan las galaxias.

"Hemos aprendido y adaptado mucho durante la vida de Mira, y esta es una oportunidad interesante para mirar hacia atrás y hacia adelante al mismo tiempo ". Adrian Pope, Físico Argonne

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 útil, el equipo marcó el retiro de Mira con la simulación Last Journey.

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 terrestre de la Etapa 4 (CMB-S4), el Legacy Survey of 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, subdirector de división de la división 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 importantes para hacer un uso eficiente de Mira. un sistema IBM Blue Gene / Q que estaba alojado 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 ejecuta la simulación.

"Ejecutar la máquina completa es un desafío porque leer la enorme cantidad de datos producidos por la simulación es computacionalmente costoso, así que tienes que hacer muchos análisis sobre la marcha, ", dijo Heitmann." Eso es desalentador, porque si comete un error con la configuración del análisis, no tienes 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, determinar el efecto de la gravedad sobre la materia durante gran parte de la historia del universo. Una vez que HACC determinó las posiciones de billones de 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 usarla 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 en el futuro, "dijo Adrian Pope, físico y desarrollador principal de HACC y CosmoTools en la división de Ciencias Computacionales (CPS) de Argonne. "Si encontramos un grupo denso de partículas, que indica la ubicación de un halo de materia oscura, y las galaxias pueden formarse 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. Para referencia, alrededor de 100 a 1, 000 partículas representan galaxias individuales en la simulación.

"Moveríamos partículas, hacer análisis, mover partículas, hacer análisis, "dijo el Papa." Al final, volveríamos a revisar los subconjuntos de datos que habíamos elegido cuidadosamente para almacenar y ejecutar análisis adicionales para obtener más información sobre 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 de la comunidad

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. Estas ideas podrían arrojar luz sobre temas que van desde misterios cosmológicos, como el papel de la materia oscura y la energía oscura en la evolución del universo, a la astrofísica de la formación de galaxias en todo el universo.

"Este enorme conjunto de datos que están creando contribuirá a muchos esfuerzos diferentes, "dijo Katherine Riley, director de ciencia de la ALCF. "En el final, esa es nuestra misión principal:ayudar a que se haga ciencia de alto impacto. Cuando no solo puedes hacer algo genial, sino para alimentar a toda una comunidad, esa es una gran contribución que tendrá un impacto durante muchos años ".

La simulación del equipo abordará numerosas cuestiones 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 el Papa. estamos creando estructuras estadísticamente equivalentes, lo que significa que si analizamos nuestros datos, podríamos encontrar lugares donde vivirían galaxias del tamaño de la Vía Láctea. 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 exascale

"Pensando en cuando ejecutamos la simulación del Borde Exterior, realmente puede ver lo lejos que han llegado estas aplicaciones científicas, "dijo Heitmann, que realizó Outer Rim en 2013 con el equipo HACC y Salman Habib, Director de división de CPS y miembro distinguido de Argonne. "Fue increíble ejecutar algo sustancialmente más grande y complejo que traerá tanto a la comunidad".

Mientras Argonne trabaja para 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 billones de cálculos por segundo, 50 veces más rápido que muchas de las supercomputadoras más poderosas que operan en la actualidad.

"Hemos aprendido y adaptado mucho durante la vida de Mira, y esta es una oportunidad interesante para mirar hacia atrás y hacia adelante al mismo tiempo, ", dijo Pope." Al prepararse para las simulaciones en máquinas de exaescala y una nueva década de 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 ".

The Last Journey 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 futuras simulaciones para observar las diferencias que hacen en la forma en que la materia se mueve y se distribuye a través del universo a lo largo del tiempo.

"Más y más, encontramos 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, puedes llegar a tus respuestas, y a tus avances, incluso más rápido ".

Un artículo sobre la simulación, titulado "El último viaje. I. Una simulación a escala extrema en la supercomputadora Mira, "fue publicado el 27 de enero en el Serie de suplementos de revistas astrofísicas . Actualmente, los científicos están preparando documentos de seguimiento para generar catálogos de cielo sintéticos detallados.