- ห้องปฏิบัติการ Argonne เสร็จสิ้นการจำลองจักรวาลที่ใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์ ครอบคลุม 28.6 พันล้านปีแสง
- การจำลองใช้โหนดการคำนวณ 8,100 โหนด และ GPU ประมาณ 50,000 ตัว ใช้เวลาทำงานประมาณ 4 วัน
- การวิจัยมุ่งเน้นไปที่การเข้าใจการขยายตัวของจักรวาลและผลกระทบต่อการก่อตัวของกาแล็กซี
- การจำลองเหล่านี้ช่วยในการดึงข้อมูลการวัดจักรวาลที่เชื่อถือได้มากขึ้น
นักวิจัยจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Argonne ได้เสร็จสิ้นการจำลองจักรวาลที่ใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์ 2 รายการ โดยจำลองอนุภาคมืดจำนวน 13.4 ล้านล้านอนุภาค ซึ่งครอบคลุมพื้นที่จักรวาลขนาด 28.6 พันล้านปีแสง การจำลองเหล่านี้ทำงานบนซูเปอร์คอมพิวเตอร์ Aurora ของ Argonne โดยใช้โหนดการคำนวณ 8,100 โหนด และ GPU ประมาณ 50,000 ตัว ทีมงานใช้เวลาประมาณ 4 วันในการทำงานและวิเคราะห์ข้อมูลส่วนใหญ่ สร้างชุดข้อมูลขนาดใหญ่ที่มุ่งช่วยนักวิทยาศาสตร์ในการศึกษาเหตุการณ์ในช่วงต้นของจักรวาล และอธิบายผลการสังเกตจากการสำรวจดาราศาสตร์หลัก
ความท้าทายในการเข้าใจการขยายตัวของจักรวาล
โครงการนี้นำโดยนักวิทยาศาสตร์ด้านการคำนวณของ Argonne คือ Nicholas Frontiere โดยมุ่งเน้นไปที่การเข้าใจการขยายตัวของจักรวาล ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่เกิดการขยายตัวอย่างรวดเร็วหลังจากการระเบิดใหญ่ แม้ว่าการขยายตัวจะเป็นส่วนสำคัญของจักรวาลวิทยาสมัยใหม่ แต่ฟิสิกส์ที่ขับเคลื่อนมันยังคงไม่แน่นอน
ตามที่นักวิจัยกล่าว การขยายตัวจะดึงความผันผวนของควอนตัมเล็กน้อยไปยังระยะทางที่กว้างใหญ่ในจักรวาลยุคแรก หลังจากผ่านไปหลายพันล้านปี แรงโน้มถ่วงได้ขยายความแตกต่างของความหนาแน่นเล็กน้อยเหล่านี้ ซึ่งช่วยในการก่อตัวของโครงสร้างจักรวาลขนาดใหญ่ในปัจจุบัน รวมถึงกาแล็กซีและอนุภาคมืด อนุภาคมืดไม่สามารถสังเกตได้โดยตรงผ่านแสงปกติ แต่แรงโน้มถ่วงของมันช่วยกำหนดการกระจายตัวของกาแล็กซี การจำลองเหล่านี้ใช้อนุภาคเพื่อติดตามความหนาแน่นและความเร็วของอนุภาคมืด ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างแบบจำลองการพัฒนาของโครงสร้างจักรวาล ทีมงานมีความสนใจเป็นพิเศษในความไม่เป็นเกาส์ดั้งเดิม ซึ่งเป็นความเบี่ยงเบนที่ละเอียดอ่อนจากการกระจายทางสถิติที่คาดการณ์โดยแบบจำลองการขยายตัวมาตรฐาน
การตรวจจับความเบี่ยงเบนเหล่านี้อาจช่วยแยกแยะคำอธิบายการขยายตัวที่แตกต่างกัน และเปิดเผยข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับสภาวะเริ่มต้นของจักรวาล อย่างไรก็ตาม สัญญาณที่อาจเกิดขึ้นคาดว่าจะอ่อนแอ และอาจถูกบดบังโดยความแปรปรวนของจักรวาล ซึ่งเป็นความไม่แน่นอนทางสถิติที่เกิดขึ้นเมื่อการสังเกตครอบคลุมเพียงบางส่วนของจักรวาล ดังนั้นนักวิจัยจึงต้องรวมข้อมูลขนาดใหญ่และความละเอียดที่เพียงพอของการจำลองเพื่อจับภาพฮาโลของอนุภาคมืดและโครงสร้างการก่อตัวของกาแล็กซี
ความสำคัญของความสามารถในการคำนวณของ Aurora
ความสามารถในการคำนวณของ Aurora มีความสำคัญในด้านนี้ เครื่องนี้มีโหนด 10,624 โหนด และ GPU 63,744 ตัว พร้อมด้วยหน่วยความจำความจุสูงและระบบจัดเก็บข้อมูลที่ออกแบบมาเพื่อจัดการกับข้อมูลขนาดใหญ่ การจำลองเหล่านี้สร้างข้อมูลมากกว่า 85 PB ผ่านระบบจัดเก็บข้อมูลแบบกระจายที่ไม่ซิงโครนัสของ Aurora ซึ่งส่วนใหญ่ใช้สำหรับการตรวจสอบจุดข้อมูล การตรวจสอบจุดเหล่านี้ช่วยให้การคำนวณสามารถฟื้นตัวได้หลังจากการหยุดชะงัก แทนที่จะเริ่มใหม่จากจุดเริ่มต้น ทีมงานเก็บข้อมูลประมาณ 8 PB สำหรับการวิเคราะห์ทางวิทยาศาสตร์ ทีมงานใช้โค้ดการจำลองจักรวาลแบบเร่งความเร็วแบบผสม (HACC) ของ Argonne ซึ่งออกแบบมาเพื่อดำเนินการจำลองจักรวาลขนาดใหญ่ข้ามโครงสร้างซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่แตกต่างกัน
แตกต่างจากโครงการก่อนหน้านี้ที่ดำเนินการบนระบบ Frontier ของห้องปฏิบัติการ Oak Ridge ซึ่งจำลองแรงโน้มถ่วงและก๊าซ ดาวฤกษ์ และกระบวนการอื่น ๆ การจำลองของ Aurora มุ่งเน้นไปที่แรงโน้มถ่วงเพียงอย่างเดียว วิธีการนี้ทำให้นักวิจัยสามารถใช้อนุภาคจำนวนมากขึ้นเพื่อครอบคลุมปริมาณจักรวาลที่ใหญ่ขึ้น
การจำลองทั้งสองใช้แบบจำลองจักรวาลเดียวกันและสัญญาณที่ไม่เป็นเกาส์ แต่ระยะเริ่มต้นของพวกมันกลับกัน การวิเคราะห์ร่วมกันช่วยลดความแปรปรวนสุ่มบางอย่างและแยกแยะปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่อาจเกิดขึ้น ความเข้มของสัญญาณยังถูกซ่อน ทำให้นักวิจัยสามารถทดสอบวิธีการวิเคราะห์ได้โดยไม่รู้คำตอบที่คาดหวัง ผลการสังเกตที่สร้างขึ้นจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ตรวจสอบกระบวนการทำงานและระบุอคติที่อาจเกิดขึ้น จากนั้นนำไปใช้กับข้อมูลจริงจากโครงการต่าง ๆ เช่น Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) ที่สนับสนุนโดยกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ และภารกิจ SPHEREx ของ NASA
โดยการสร้างการสังเกตจำลองที่เป็นจริงในท้องฟ้า การจำลองเหล่านี้อาจช่วยนักวิจัยในการดึงข้อมูลการวัดที่เชื่อถือได้มากขึ้นจากการสำรวจเหล่านี้ ขนาดของการจำลองยังมอบแพลตฟอร์มการทดสอบที่ทรงพลังให้กับนักวิทยาศาสตร์ในการตรวจสอบลักษณะเล็กน้อยของจักรวาลยุคแรก
การจำลองช่วยเติมเต็มช่องว่างระหว่างทฤษฎีกับการสังเกต
โครงการนี้ได้รับเวลาในการคำนวณผ่านโครงการนวัตกรรมและการคำนวณใหม่ของกระทรวงพลังงาน สอดคล้องกับ DESI, SPHEREx และการสำรวจอื่น ๆ ที่รวบรวมข้อมูลการสังเกตที่ละเอียดมากขึ้น การจำลองในขนาดนี้ช่วยเติมเต็มช่องว่างระหว่างแบบจำลองทางทฤษฎีกับจักรวาลที่นักดาราศาสตร์สังเกตเห็นจริง
โครงการ สเปค โหนดการคำนวณ 10,624 จำนวน GPU 63,744 ปริมาณข้อมูลที่สร้างขึ้น มากกว่า 85 PB ปริมาณข้อมูลที่เก็บรักษา ประมาณ 8 PB
การจำลองขนาดใหญ่มีส่วนช่วยในการวิจัยจักรวาลวิทยา
การจำลองจักรวาลขนาดใหญ่นี้ไม่เพียงแต่แสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าในด้านความสามารถในการคำนวณของห้องปฏิบัติการ Argonne แต่ยังเน้นถึงความซับซ้อนในการเข้าใจการขยายตัวของจักรวาล ด้วยการจำลองพฤติกรรมของอนุภาคมืด นักวิทยาศาสตร์สามารถสำรวจสถานการณ์ในจักรวาลยุคแรกได้อย่างลึกซึ้ง และอาจเปิดเผยปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อการก่อตัวของกาแล็กซี เมื่อข้อมูลการสังเกตเพิ่มขึ้น การจำลองเหล่านี้จะกลายเป็นเครื่องมือสำคัญในการเชื่อมโยงระหว่างทฤษฎีกับการสังเกตจริง และช่วยผลักดันการพัฒนาของจักรวาลวิทยาต่อไป