- Argonne National Laboratory telah menyelesaikan simulasi kosmos terbesar dalam sejarah, mencakup 28.6 miliar tahun cahaya.
- Simulasi menggunakan 8,100 node komputasi dan sekitar 50,000 GPU, berjalan selama sekitar empat hari.
- Fokus penelitian adalah untuk memahami ekspansi alam semesta dan dampaknya terhadap pembentukan galaksi.
- Simulasi ini membantu menghasilkan hasil pengukuran kosmos yang lebih dapat diandalkan.
Peneliti di Argonne National Laboratory telah menyelesaikan dua simulasi kosmologi terbesar dalam sejarah, mensimulasikan 13.4 triliun partikel materi gelap yang mencakup area kosmos seluas 28.6 miliar tahun cahaya. Simulasi ini dijalankan di superkomputer Aurora milik Argonne, menggunakan 8,100 node komputasi dan sekitar 50,000 unit pemrosesan grafis (GPU). Tim menyelesaikan kedua simulasi dan sebagian besar analisis data dalam waktu sekitar empat hari, menciptakan kumpulan data besar yang bertujuan untuk membantu ilmuwan mempelajari momen awal alam semesta dan menjelaskan hasil pengamatan dari survei astronomi utama.
Tantangan Memahami Ekspansi Alam Semesta
Proyek ini dipimpin oleh ilmuwan komputasi Argonne, Nicholas Frontiere, dengan fokus pada pemahaman ekspansi alam semesta, yang merupakan periode ekspansi sangat cepat setelah Big Bang. Meskipun ekspansi adalah bagian inti dari kosmologi modern, fisika yang mendorongnya masih belum pasti.
Menurut para peneliti, ekspansi akan meregangkan fluktuasi kuantum kecil ke jarak yang sangat besar di alam semesta awal. Setelah miliaran tahun, gravitasi memperkuat perubahan kepadatan kecil ini, membantu membentuk jaringan besar alam semesta yang kita amati hari ini, termasuk galaksi dan materi gelap. Materi gelap tidak dapat diamati secara langsung melalui cahaya biasa, tetapi pengaruh gravitasinya membantu membentuk distribusi galaksi. Simulasi ini menggunakan partikel untuk melacak kepadatan dan kecepatan materi gelap, memungkinkan ilmuwan untuk memodelkan evolusi struktur alam semesta. Tim sangat tertarik pada non-Gaussianitas awal: penyimpangan halus dari distribusi statistik sederhana yang diprediksi oleh model ekspansi standar.
Mendeteksi penyimpangan ini dapat membantu membedakan berbagai penjelasan ekspansi dan mengungkap lebih banyak informasi tentang kondisi awal alam semesta. Namun, sinyal potensial yang ada diharapkan akan lemah dan mungkin terhalang oleh variasi kosmik, yang merupakan ketidakpastian statistik yang muncul ketika pengamatan hanya mencakup bagian terbatas dari alam semesta. Oleh karena itu, para peneliti perlu menggabungkan volume data besar dan simulasi dengan resolusi yang cukup untuk menangkap halo materi gelap dan struktur pembentukan galaksi.
Pentingnya Kapasitas Komputasi Aurora
Kapasitas komputasi Aurora sangat penting dalam hal ini. Mesin ini memiliki 10,624 node dan 63,744 GPU, serta dilengkapi dengan memori berkapasitas tinggi dan sistem penyimpanan yang dirancang khusus untuk menangani aliran data besar. Simulasi ini menghasilkan lebih dari 85 PB data melalui sistem penyimpanan objek asinkron terdistribusi Aurora, yang terutama digunakan untuk titik pemeriksaan. Titik pemeriksaan ini memungkinkan perhitungan untuk dilanjutkan setelah terputus, alih-alih memulai dari awal. Tim menyimpan sekitar 8 PB data untuk analisis ilmiah. Tim menggunakan kode kosmologi akselerasi hibrida/hardware Argonne (HACC), yang dirancang untuk menjalankan simulasi kosmologi besar di berbagai arsitektur superkomputer.
Berbeda dengan proyek awal yang dilakukan di sistem Frontier Oak Ridge National Laboratory, yang mensimulasikan gravitasi serta gas, bintang, dan proses lainnya, simulasi Aurora berfokus pada gravitasi itu sendiri. Pendekatan ini memungkinkan para peneliti untuk mencakup volume alam semesta yang lebih besar dengan lebih banyak partikel.
Kedua simulasi menggunakan model kosmologi yang sama dan sinyal non-Gaussian, tetapi tahap awalnya dibalik. Menganalisis keduanya bersama-sama membantu mengimbangi beberapa variasi acak dan mengisolasi fenomena fisik potensial. Kekuatan sinyal juga tersembunyi, memungkinkan para peneliti untuk menguji metode analisis tanpa mengetahui jawaban yang diharapkan. Hasil pengamatan sintetik yang dihasilkan akan membantu ilmuwan memverifikasi alur kerja dan mengidentifikasi potensi bias, kemudian menerapkannya pada data nyata dari proyek seperti Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) yang didukung oleh Departemen Energi AS dan misi SPHEREx NASA.
Dengan menghasilkan pengamatan simulasi yang realistis di langit, simulasi ini dapat membantu para peneliti mengekstrak hasil pengukuran yang lebih dapat diandalkan dari survei ini. Skala tersebut juga memberikan para ilmuwan platform pengujian yang kuat untuk memeriksa fitur halus dari alam semesta awal.
Simulasi Mengisi Kesenjangan Antara Teori dan Observasi
Proyek ini memperoleh waktu komputasi melalui program dampak inovasi dan komputasi baru Departemen Energi. Seiring DESI, SPHEREx, dan survei lainnya mengumpulkan data pengamatan yang semakin rinci, simulasi berskala besar ini membantu mengisi kesenjangan antara model teori dan alam semesta yang sebenarnya diamati oleh para astronom.
Proyek Spesifikasi Node Komputasi 10,624 Jumlah GPU 63,744 Volume Data yang Dihasilkan Lebih dari 85 PB Volume Data yang Disimpan Sekitar 8 PB
Kontribusi Simulasi Besar terhadap Penelitian Kosmologi
Simulasi kosmos besar ini tidak hanya menunjukkan terobosan Argonne National Laboratory dalam kapasitas komputasi, tetapi juga menyoroti kompleksitas dalam memahami ekspansi alam semesta. Dengan mensimulasikan perilaku materi gelap, ilmuwan dapat menyelidiki lebih dalam kondisi alam semesta awal dan mungkin mengungkap faktor kunci yang mempengaruhi pembentukan galaksi. Seiring bertambahnya data pengamatan, simulasi ini akan menjadi alat penting yang menghubungkan teori dengan observasi nyata, lebih lanjut mendorong perkembangan kosmologi.