اليوم ، أكبر الألغاز التي تواجه علماء الفلك وعلماء الكون هي الأدوار التي تلعبها الجاذبية والتوسع الكوني في تطور الكون. لحل هذه الألغاز ، يتخذ علماء الفلك وعلماء الكونيات نهجًا ذا شقين. تتكون هذه من مراقبة الكون مباشرة لملاحظة هذه القوى أثناء العمل أثناء محاولة إيجاد حلول نظرية للسلوكيات المرصودة - مثل المادة المظلمة و الطاقة المظلمة .
بين هذين النهجين ، يقوم العلماء بنمذجة التطور الكوني باستخدام المحاكاة الحاسوبية لمعرفة ما إذا كانت الملاحظات تتماشى مع التوقعات النظرية. آخرها هو قمة العداد ، مجموعة محاكاة تم إنشاؤها بواسطة معهد فلاتيرون مركز الفيزياء الفلكية الحاسوبية (CCA) و مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية (CfA). قادرة على معالجة ما يقرب من 60 تريليون جسيم ، هذا الجناح هو أكبر محاكاة كونية تم إنتاجها على الإطلاق.
أعلن مبتكرو AbacusSummit عن مجموعة المحاكاة في سلسلة من الأوراق التي ظهرت في الإخطارات الشهرية للجمعية الفلكية الملكية (MNRAS). تتكون من أكثر من 160 محاكاة ، وهي تصور كيف تتصرف الجسيمات في بيئة على شكل صندوق بسبب جاذبية الجاذبية. تُعرف هذه النماذج بمحاكاة الجسم N وهي جوهرية لنمذجة كيفية تفاعل المادة المظلمة مع المادة الباريونية (المعروفة أيضًا باسم 'المرئية').
التوزيع المحاكي للمادة المظلمة في المجرات. الائتمان: Brinckmann et al.
قاد تطوير مجموعة محاكاة AbacusSummit Lehman Garrison (زميل باحث في CCA) ونينا ماكسيموفا ودانييل آيزنشتاين ، طالبة دراسات عليا وأستاذة في علم الفلك مع CfA (على التوالي). تم تشغيل عمليات المحاكاة على حاسوب عملاق ساميت في ال مرفق حوسبة أوك ريدج للقيادة (ORLCF) في ولاية تينيسي - تشرف عليها وزارة الطاقة الأمريكية (DoE).
تعد حسابات N-body ، التي تتكون من حساب تفاعل الجاذبية للكواكب والأجسام الأخرى ، من بين أعظم التحديات التي تواجه علماء الفيزياء الفلكية اليوم. جزء مما يجعل الأمر شاقًا هو أن كل كائن يتفاعل مع كل كائن آخر ، بغض النظر عن مدى تباعدهم - فكلما زاد عدد الكائنات قيد الدراسة ، زادت التفاعلات التي يجب أخذها في الاعتبار.
حتى الآن ، لا يوجد حتى الآن حل لمشاكل الجسم N حيث تشارك ثلاثة أو أكثر من الأجسام الضخمة ، والحسابات المتاحة هي مجرد تقديرات تقريبية. على سبيل المثال ، الرياضيات الخاصة بحساب تفاعل الأجسام الثلاثة ، مثل نظام النجوم 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 للأمام ببطء ، والتكرار.
من أجل بحثهم (الذي قاده Maksimova) ، صمم الفريق قاعدة الكود الخاصة بهم (تسمى Abacus) للاستفادة من قوة المعالجة المتوازية الخاصة بـ Summit - حيث يمكن إجراء العديد من العمليات الحسابية في وقت واحد. اعتمدوا أيضًا على خوارزميات التعلم الآلي وطريقة عددية جديدة ، والتي سمحت لهم بحساب 70 مليون جسيم لكل عقدة / ثانية في الأوقات المبكرة و 45 مليون تحديث للجسيمات لكل عقدة / ثانية في الأوقات المتأخرة.
لقطة من إحدى عمليات محاكاة قمة Abacus ، التي تظهر بمقاييس تكبير مختلفة: 10 مليار سنة ضوئية عبر ، و 1.2 مليار سنة ضوئية عبر ، و 100 مليون سنة ضوئية. الائتمان: فريق AbacusSummit / التخطيط بواسطة Lucy Reading-Ikkanda / Simons Foundation
كما أوضح جاريسون في بيان صحفي صدر مؤخرًا عن CCA:
'هذا الجناح كبير جدًا لدرجة أنه ربما يحتوي على جسيمات أكثر من جميع عمليات محاكاة الجسم N الأخرى التي تم تشغيلها معًا - على الرغم من أن هذا بيان صعب يجب التأكد منه. تقدم استطلاعات المجرات خرائط مفصلة للغاية للكون ، ونحن بحاجة إلى محاكاة طموحة مماثلة تغطي مجموعة واسعة من الأكوان المحتملة التي قد نعيش فيها.
'AbacusSummit هو أول مجموعة من مثل هذه المحاكاة التي لديها اتساع ودقة للمقارنة مع هذه الملاحظات المذهلة ... كانت رؤيتنا هي إنشاء هذا الرمز لتقديم عمليات المحاكاة اللازمة لهذه العلامة التجارية الجديدة الخاصة بمسح المجرات. لقد كتبنا الكود لإجراء عمليات المحاكاة بشكل أسرع بكثير وأكثر دقة من أي وقت مضى '.
بالإضافة إلى التحديات المعتادة ، يتطلب تشغيل عمليات محاكاة كاملة لحسابات N-body أن يتم تصميم الخوارزميات بعناية بسبب كل مساحة تخزين الذاكرة المعنية. وهذا يعني أن العداد لا يمكنه عمل نسخ من المحاكاة لعقد أجهزة كمبيوتر عملاقة مختلفة للعمل عليها وتقسيم كل محاكاة إلى شبكة بدلاً من ذلك. يتكون هذا من إجراء حسابات تقريبية للجسيمات البعيدة ، والتي تلعب دورًا أصغر من الجسيمات القريبة.
ثم يقسم الجسيمات القريبة إلى خلايا متعددة حتى يتمكن الكمبيوتر من العمل على كل منها على حدة ، ثم يجمع نتائج كل منها مع تقريب الجسيمات البعيدة. وجد فريق البحث أن هذا النهج (التقسيمات الموحدة) يستفيد بشكل أفضل من المعالجة المتوازية ويسمح بحساب قدر كبير من تقريب الجسيمات البعيدة قبل بدء المحاكاة.
المعالجة الحاسوبية المتوازية للعداد ، متصورة. الائتمان: مؤسسة Lucy Reading-Ikkanda / Simons
يعد هذا تحسنًا كبيرًا في قواعد رموز N-body الأخرى ، والتي تقسم عمليات المحاكاة بشكل غير منتظم بناءً على توزيع الجسيمات. بفضل تصميمه ، يستطيع العداد تحديث 70 مليون جسيم في كل عقدة / ثانية (حيث يمثل كل جسيم كتلة من المادة المظلمة بثلاثة مليارات كتلة شمسية). يمكنه أيضًا تحليل المحاكاة أثناء تشغيلها والبحث عن بقع من المادة المظلمة التي تشير إلى وجود مجرات لامعة لتكوين النجوم.
ستكون هذه الأشياء وغيرها من الأشياء الكونية موضوع دراسات مستقبلية ترسم الكون بتفاصيل غير مسبوقة. وتشمل هذه أداة طيفية للطاقة المظلمة (DESI) ، و تلسكوب نانسي جريس الروماني الفضائي (RST) و ESA's إقليدس مركبة فضائية. يتمثل أحد أهداف هذه المهام ذات الميزانية الكبيرة في تحسين تقديرات المعلمات الكونية والفيزيائية الفلكية التي تحدد كيف يتصرف الكون وكيف يبدو.
سيسمح هذا بدوره بعمليات محاكاة أكثر تفصيلاً تستخدم قيمًا محدثة لمعلمات مختلفة ، مثل Dark Energy. دانيال ج. آيزنشتاين ، باحث في CfA ومؤلف مشارك في الورقة ، هو أيضًا عضو في تعاون DESI. يتطلع هو وآخرون مثله إلى ما يمكن أن يفعله العداد لهذه المسوحات الكونية في السنوات القادمة.
قال: 'إن علم الكونيات يقفز إلى الأمام بسبب الاندماج متعدد التخصصات للأرصاد المذهلة والحوسبة الحديثة'. 'إن العقد القادم يعد بأن يكون عصرًا رائعًا في دراستنا للاكتساح التاريخي للكون.'
قراءة متعمقة: مؤسسة سيمونز و MNRAS