- Das Argonne National Laboratory hat die größte Universumssimulation aller Zeiten abgeschlossen, die 28,6 Milliarden Lichtjahre umfasst.
- Die Simulation verwendete 8.100 Rechenknoten und etwa 50.000 GPUs und lief etwa vier Tage.
- Der Forschungsschwerpunkt liegt auf dem Verständnis der Expansion des Universums und deren Einfluss auf die Entstehung von Galaxien.
- Diese Simulationen helfen, zuverlässigere kosmologische Messungen zu extrahieren.
Die Forscher des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums haben zwei der größten kosmologischen Simulationen in der Geschichte abgeschlossen, die 13,4 Billionen Dunkle-Materie-Partikel abdecken und einen Bereich des Universums von 28,6 Milliarden Lichtjahren umfassen. Diese Simulationen liefen auf dem Supercomputer Aurora in Argonne, der 8.100 Rechenknoten und etwa 50.000 Grafikprozessoren (GPUs) nutzte. Das Team schloss diese beiden Läufe und den Großteil der Datenanalyse in etwa vier Tagen ab und schuf einen riesigen Datensatz, der Wissenschaftlern helfen soll, die frühesten Momente des Universums zu untersuchen und die Beobachtungen großer astronomischer Erhebungen zu erklären.
Herausforderungen beim Verständnis der Expansion des Universums
Das Projekt wurde von dem Argonne-Rechenwissenschaftler Nicholas Frontiere geleitet und konzentriert sich auf das Verständnis der Expansion des Universums, einem extrem schnellen Expansionszeitraum kurz nach dem Urknall. Obwohl die Expansion ein zentrales Element der modernen Kosmologie ist, sind die physikalischen Grundlagen, die sie antreiben, nach wie vor ungewiss.
Laut den Forschern dehnt die Expansion winzige Quantenfluktuationen über große Distanzen im frühen Universum aus. Über Milliarden von Jahren verstärkt die Schwerkraft diese kleinen Dichteänderungen und hilft, das heute beobachtbare großräumige Netzwerk des Universums, einschließlich Galaxien und Dunkler Materie, zu formen. Dunkle Materie kann nicht direkt durch normales Licht beobachtet werden, aber ihre gravitativen Auswirkungen tragen zur Formung der Verteilung von Galaxien bei. Diese Simulationen verwenden Partikel, um die Dichte und Geschwindigkeit der Dunklen Materie zu verfolgen, was es den Wissenschaftlern ermöglicht, die Evolution der Struktur des Universums zu modellieren. Das Team ist besonders an der ursprünglichen Nicht-Gaussianität interessiert: den subtilen Abweichungen von der einfachen statistischen Verteilung, die vom Standardmodell der Inflation vorhergesagt wird.
Die Erkennung dieser Abweichungen könnte helfen, verschiedene Erklärungen der Inflation zu unterscheiden und mehr Informationen über die ursprünglichen Bedingungen des Universums zu enthüllen. Allerdings wird erwartet, dass jedes potenzielle Signal schwach ist und möglicherweise durch kosmische Variationen, die entstehen, wenn Beobachtungen nur einen begrenzten Teil des Universums abdecken, überlagert wird. Daher müssen die Forscher große Datenmengen und Simulationen mit ausreichender Auflösung kombinieren, um die Dunkle-Materie-Halos und die Struktur der Galaxienbildung zu erfassen.
Die Bedeutung der Rechenleistung von Aurora
Die Rechenleistung von Aurora ist in diesem Zusammenhang entscheidend. Diese Maschine verfügt über 10.624 Knoten und 63.744 GPUs und ist mit hochkapazitiven Speicher und einem Speichersystem ausgestattet, das speziell für die Verarbeitung großer Datenströme konzipiert wurde. Diese Simulationen generierten über 85 PB an Daten durch Auroras verteiltes asynchrones Objektspeichersystem, hauptsächlich für Checkpoints. Diese Checkpoints ermöglichen es, Berechnungen nach einer Unterbrechung wiederherzustellen, anstatt von vorne zu beginnen. Das Team behielt etwa 8 PB an Daten für wissenschaftliche Analysen. Das Team verwendete den Hardware-/Hybridbeschleunigungs-Kosmodynamik-Code (HACC) von Argonne, der für die Durchführung großangelegter kosmologischer Simulationen über verschiedene Supercomputer-Architekturen hinweg konzipiert ist.
Im Gegensatz zu früheren Projekten, die auf dem Frontier-System des Oak Ridge National Laboratory durchgeführt wurden und die Gravitation sowie Gase, Sterne und andere Prozesse simulierten, konzentrierten sich die Simulationen von Aurora ausschließlich auf die Gravitation selbst. Dieser Ansatz ermöglicht es den Forschern, mit mehr Partikeln ein größeres Volumen des Universums abzudecken.
Diese beiden Simulationen verwendeten dasselbe kosmologische Modell und Nicht-Gaussian-Signale, jedoch waren ihre Anfangszustände umgekehrt. Ihre gemeinsame Analyse hilft, einige zufällige Variationen auszugleichen und potenzielle physikalische Phänomene zu isolieren. Die Signalstärke wird ebenfalls verborgen, was es den Forschern ermöglicht, Analyseverfahren zu testen, ohne die erwarteten Antworten zu kennen. Die erzeugten synthetischen Beobachtungen werden den Wissenschaftlern helfen, Arbeitsabläufe zu validieren und potenzielle Verzerrungen zu identifizieren, die dann auf echte Daten aus Projekten wie dem Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), das vom US-Energieministerium unterstützt wird, und der NASA-Mission SPHEREx angewendet werden.
Durch die Erzeugung realistischer simulierten Beobachtungen am Himmel könnten diese Simulationen den Forschern helfen, zuverlässigere Messungen aus diesen Erhebungen zu extrahieren. Ihr Umfang bietet den Wissenschaftlern auch eine leistungsstarke Testplattform, um die subtilen Merkmale des frühen Universums zu untersuchen.
Simulationen überbrücken die Kluft zwischen Theorie und Beobachtung
Das Projekt erhielt Rechenzeit durch das Innovations- und Neuartige Berechnungsprogramm des Energieministeriums, das die Auswirkungen auf Theorie und Experiment untersucht. Mit der zunehmenden Sammlung detaillierter Beobachtungsdaten durch DESI, SPHEREx und andere Erhebungen helfen Simulationen dieser Größenordnung, die Kluft zwischen theoretischen Modellen und dem Universum, das Astronomen tatsächlich beobachten, zu schließen.
Projekt Spezifikationen Rechenknoten 10.624 Anzahl der GPUs 63.744 Datenmenge Über 85 PB Behaltene Datenmenge Etwa 8 PB
Der Beitrag großer Simulationen zur kosmologischen Forschung
Diese großangelegte Universumssimulation zeigt nicht nur die Fortschritte des Argonne National Laboratory in der Rechenleistung, sondern hebt auch die Komplexität des Verständnisses der Expansion des Universums hervor. Durch die Simulation des Verhaltens von Dunkler Materie können Wissenschaftler die Bedingungen des frühen Universums eingehender untersuchen und möglicherweise entscheidende Faktoren aufdecken, die die Entstehung von Galaxien beeinflussen. Mit der Zunahme der Beobachtungsdaten werden diese Simulationen zu einem wichtigen Werkzeug, um Theorie und tatsächliche Beobachtungen zu verknüpfen und die Entwicklung der Kosmologie weiter voranzutreiben.