وزارة الطاقة الأمريكية في مختبر أرغون الوطني تكمل محاكاة كونية ضخمة، تحاكي 13.4 تريليون جسيم من المادة المظلمة

أكمل الباحثون في مختبر أرغون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية اثنتين من أكبر المحاكيات الكونية في التاريخ، حيث تم محاكاة 13.4 تريليون جسيم من المادة المظلمة، تغطي منطقة كونية تمتد على 28.6 مليار سنة ضوئية. جرت هذه المحاكيات على الحاسوب الفائق Aurora في أرغون، باستخدام 8,100 عقدة حسابية وحوالي 50,000 وحدة معالجة رسومية (GPUs). أكمل الفريق هاتين العمليتين ومعظم تحليل البيانات في حوالي أربعة أيام، مما أنشأ مجموعة بيانات ضخمة تهدف إلى مساعدة العلماء في دراسة اللحظات الأولى من الكون وشرح نتائج الملاحظات من المسوحات الفلكية الرئيسية.

تحديات فهم توسع الكون

قاد المشروع عالم الحاسوب في أرغون نيكولاس فرونتيير، حيث تركز الجهود على فهم توسع الكون، وهو فترة من التوسع السريع بعد الانفجار العظيم. على الرغم من أن التوسع هو جزء أساسي من علم الكونيات الحديث، إلا أن الفيزياء التي تحركه لا تزال غير مؤكدة.

وفقًا للباحثين، فإن التوسع يمدد التذبذبات الكمومية الصغيرة إلى مسافات شاسعة في الكون المبكر. على مدى مليارات السنين، زادت الجاذبية من هذه التغيرات الصغيرة في الكثافة، مما ساعد في تشكيل الشبكة الكونية الكبيرة التي نراها اليوم، بما في ذلك المجرات والمادة المظلمة. لا يمكن ملاحظة المادة المظلمة مباشرة من خلال الضوء العادي، لكن تأثيرها الجاذبي يساعد في تشكيل توزيع المجرات. تستخدم هذه المحاكيات الجسيمات لتتبع كثافة وسرعة المادة المظلمة، مما يمكّن العلماء من نمذجة تطور بنية الكون. كان الفريق مهتمًا بشكل خاص باللا Gaussianity الأولية: الانحرافات الدقيقة عن التوزيع الإحصائي البسيط المتوقع من نموذج التوسع القياسي.

يمكن أن تساعد اكتشافات هذه الانحرافات في تمييز تفسيرات مختلفة للتوسع، وكشف المزيد من المعلومات حول الظروف الأولية للكون. ومع ذلك، من المتوقع أن تكون أي إشارات محتملة ضعيفة، وقد يتم حجبها بواسطة التباين الكوني، وهو عدم اليقين الإحصائي الناتج عن تغطية الملاحظات لجزء محدود من الكون. لذلك، يحتاج الباحثون إلى دمج كميات ضخمة من البيانات مع دقة كافية للمحاكاة لالتقاط هالات المادة المظلمة وبنية تشكيل المجرات.

أهمية قدرة Aurora الحاسوبية

تعتبر قدرة Aurora الحاسوبية حاسمة في هذا السياق. تمتلك هذه الآلة 10,624 عقدة و63,744 وحدة معالجة رسومية، ومجهزة بذاكرة عالية السعة ونظام تخزين مصمم لمعالجة تدفقات البيانات الضخمة. أنتجت هذه المحاكيات أكثر من 85 بيتابايت من البيانات عبر نظام التخزين الموزع غير المتزامن الخاص بـ Aurora، والذي يستخدم بشكل رئيسي لنقاط التحقق. تسمح هذه النقاط باستئناف الحسابات بعد الانقطاع، بدلاً من إعادة البدء من البداية. احتفظ الفريق بحوالي 8 بيتابايت من البيانات للتحليل العلمي. استخدم الفريق كود علم الكونيات المعزز بالهاردوير/الهجين (HACC) في أرغون، والذي تم تصميمه لتشغيل محاكيات علم الكونيات الكبيرة عبر هياكل الحوسبة الفائقة المختلفة.

على عكس المشاريع السابقة التي أجريت على نظام Frontier في مختبر أوك ريدج الوطني، والتي محاكات الجاذبية والغاز والنجوم وعمليات أخرى، تركز محاكيات Aurora على الجاذبية نفسها. تتيح هذه الطريقة للباحثين تغطية حجم كون أكبر باستخدام المزيد من الجسيمات.

تستخدم المحاكيتان نفس نموذج علم الكونيات وإشارات غير Gaussian، لكن مراحلها الأولية معكوسة. يساعد تحليلها معًا في تعويض بعض التغيرات العشوائية وعزل الظواهر الفيزيائية المحتملة. كما يتم إخفاء شدة الإشارة، مما يسمح للباحثين باختبار طرق التحليل دون معرفة الإجابة المتوقعة. ستساعد النتائج المولدة في التحقق من سير العمل وتحديد الانحيازات المحتملة، ثم تطبيقها على البيانات الحقيقية من مشاريع مثل طيف الطاقة المظلمة المدعوم من وزارة الطاقة (DESI) ومهمة SPHEREx التابعة لناسا.

من خلال إنشاء ملاحظات محاكاة واقعية في السماء، قد تساعد هذه المحاكيات الباحثين في استخراج قياسات أكثر موثوقية من هذه المسوحات. كما أن حجمها يوفر للعلماء منصة اختبار قوية لفحص الخصائص الدقيقة للكون المبكر.

المحاكيات تسد الفجوة بين النظرية والملاحظة

حصل المشروع على وقت حسابي من خلال برنامج تأثير الابتكار والحوسبة الجديدة التابع لوزارة الطاقة. مع جمع DESI وSPHEREx وغيرها من المسوحات لملاحظات أكثر تفصيلًا، تساعد هذه المحاكيات الكبيرة في سد الفجوة بين النماذج النظرية والكون الذي يلاحظه الفلكيون فعليًا.