p Os buracos negros são um grande mistério espacial. Eles são tão grandes que nada, nem mesmo luz, pode escapar de um buraco negro quando ele se aproxima o suficiente. Um grande mistério para os cientistas é que há evidências de poderosos jatos de elétrons e prótons que saem da parte superior e inferior de alguns buracos negros. No entanto, ninguém sabe como esses jatos se formam. p O código de computador chamado Cosmos agora abastece simulações de supercomputadores de jatos de buracos negros e está começando a revelar os mistérios dos buracos negros e outras esquisitices espaciais.

p "Cosmos, a raiz do nome, veio do fato de que o código foi originalmente projetado para fazer cosmologia. Ele se transformou em uma ampla gama de astrofísica, "explicou Chris Fragile, professor do Departamento de Física e Astronomia do College of Charleston. Fragile ajudou a desenvolver o código Cosmos em 2005, enquanto trabalhava como pesquisador de pós-doutorado no Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), junto com Steven Murray (LLNL) e Peter Anninos (LLNL).

p Fragile apontou que o Cosmos oferece aos astrofísicos uma vantagem porque se manteve na vanguarda da magnetohidrodinâmica relativística geral (MHD). Simulações MHD, o magnetismo de fluidos condutores de eletricidade, como jatos de buracos negros, adicionam uma camada de compreensão, mas são notoriamente difíceis até mesmo para os supercomputadores mais rápidos.

p "A outra área em que o Cosmos sempre teve alguma vantagem é que ele contém muitos pacotes de física, "continuou Fragile." Esta foi a motivação inicial de Peter Anninos, no sentido de que ele queria uma ferramenta computacional onde pudesse colocar em tudo o que tinha trabalhado ao longo dos anos. "Fragile listou alguns dos pacotes que incluem química, queima nuclear, Gravidade newtoniana, gravidade relativística, e até mesmo radiação e resfriamento radiativo. "É uma combinação bastante única, "Frágil disse.

p A iteração atual do código é CosmosDG, que utiliza métodos Gelarkin descontínuos. "Você pega o domínio físico que deseja simular, "explicou Fragile, "e você divide em um monte de pequenos, pequenas células computacionais, ou zonas. Você está basicamente resolvendo as equações da dinâmica dos fluidos em cada uma dessas zonas. "O CosmosDG permitiu uma ordem de precisão muito mais alta do que nunca, de acordo com os resultados publicados no Astrophysical Journal , Agosto de 2017.

p "Fomos capazes de demonstrar que alcançamos muitas ordens de magnitude de soluções mais precisas no mesmo número de zonas computacionais, "declarou Fragile." Então, particularmente em cenários onde você precisa de soluções muito precisas, CosmosDG pode ser uma maneira de conseguir isso com menos despesas computacionais do que teríamos de usar com os métodos anteriores. "

p XSEDE ECSS ajuda o Cosmos a desenvolver

p Desde 2008, o Texas Advanced Computing Center (TACC) forneceu recursos computacionais para o desenvolvimento do código Cosmos - cerca de 6,5 milhões de horas de núcleo de supercomputador no sistema Ranger e 3,6 milhões de horas de núcleo no sistema Stampede. XSEDE, o eXtreme Science and Engineering Discovery Environment financiado pela National Science Foundation, premiou o grupo Fragile com a alocação.

p "Não consigo elogiar o suficiente como os recursos do XSEDE são significativos, "Fragile disse." A ciência que eu faço não seria possível sem recursos como esse. Essa é uma escala de recursos que certamente uma pequena instituição como a minha nunca poderia sustentar. O fato de termos esses recursos em nível nacional permite uma grande quantidade de ciência que não seria feita de outra forma. "

p E o fato é que cientistas ocupados às vezes podem ajudar com seu código. Além de acessar, O XSEDE também oferece um grupo de especialistas por meio do esforço de Serviços de Suporte Colaborativo Estendido (ECSS) para ajudar os pesquisadores a tirar o máximo proveito de alguns dos supercomputadores mais poderosos do mundo.

p Fragile recrutou recentemente a ajuda de XSEDE ECSS para otimizar o código CosmosDG para Stampede2, um supercomputador capaz de 18 petaflops e o carro-chefe do TACC na Universidade do Texas em Austin. Stampede2 apresenta 4, 200 nós Knights Landing (KNL) e 1, 736 nós Intel Xeon Skylake.

p Aproveitando as vantagens de Knights Landing and Stampede 2

p A arquitetura manycore do KNL apresenta novos desafios para os pesquisadores que tentam obter o melhor desempenho de computação, de acordo com Damon McDougall, um associado de pesquisa no TACC e também no Instituto de Engenharia e Ciências Computacionais, UT Austin. Cada nó Stampede2 KNL tem 68 núcleos, com quatro threads de hardware por núcleo. São muitas peças móveis para coordenar.

p "Este é um chip de computador que tem muitos núcleos em comparação com alguns dos outros chips com os quais um pode ter interagido em outros sistemas, "McDougall explicou." É necessário prestar mais atenção ao design do software para funcionar com eficácia nesses tipos de chips. "

p Por meio do ECSS, McDougall ajudou Fragile a otimizar CosmosDG para Stampede2. “Nós promovemos um certo tipo de paralelismo, chamado de paralelismo híbrido, onde você pode misturar protocolos de interface de passagem de mensagem (MPI), que é uma forma de passar mensagens entre nós de computação, e OpenMP, que é uma maneira de se comunicar em um único nó de computação, "McDougall disse." Misturar esses dois paradigmas paralelos é algo que encorajamos para esses tipos de arquiteturas. Esse é o tipo de conselho que podemos ajudar a dar e ajudar os cientistas a implementar no Stampede2 por meio do programa ECSS. "

p "Ao reduzir a quantidade de comunicação que você precisa fazer, "Frágil disse, "essa é uma das ideias de onde os ganhos virão em Stampede2. Mas significa um pouco de trabalho para códigos legados como os nossos, que não foram construídos para usar OpenMP. Estamos tendo que adaptar nosso código para incluir alguns Chamadas do OpenMP. Essa é uma das coisas que Damon tem nos ajudado a tentar fazer essa transição da maneira mais suave possível. "

p McDougall descreveu o trabalho de ECSS até agora com CosmosDG como "muito incipiente e contínuo, "com muito trabalho inicial investigando 'pontos de acesso' de alocação de memória onde o código fica mais lento.

p "Uma das coisas em que Damon McDougall tem sido realmente útil é nos ajudar a tornar os códigos mais eficientes e nos ajudar a usar os recursos do XSEDE de forma mais eficiente para que possamos fazer ainda mais ciência com o nível de recursos que estamos recebendo, "Frágil adicionado.

p Black Hole Wobble

p Parte da ciência que Fragile e seus colegas já fizeram com a ajuda do código do Cosmos ajudou a estudar a acumulação, a queda dos gases moleculares, e detritos espaciais em um buraco negro. O acúmulo de buracos negros aciona seus jatos. "Uma das coisas pelas quais sou mais famoso é estudar discos de acreção onde o disco é inclinado, "explicou Fragile.

p Os buracos negros giram. E o mesmo acontece com o disco de gases e detritos que o envolve e cai. No entanto, eles giram em diferentes eixos de rotação. “Fomos os primeiros a estudar casos em que o eixo de rotação do disco não está alinhado com o eixo de rotação do buraco negro, " Fragile said. General relativity shows that rotating bodies can exert a torque on other rotating bodies that aren't aligned with it.

p Fragile's simulations showed the black hole wobbles, a movement called precession, from the torque of the spinning accretion disk. "The really interesting thing is that over the last five years or so, observers—the people who actually use telescopes to study black hole systems—have seen evidence that the disks might actually be doing this precession that we first showed in our simulations, " Fragile said.

p Fragile and colleagues use the Cosmos code to study other space oddities such as tidal disruption events, which happen when a molecular cloud or star passes close enough that a black hole shreds it. Other examples include Minkowski's Object, where Cosmos simulations support observations that a black hole jet collides with a molecular cloud to trigger star formation.

p Golden Age of Astronomy and Computing

p "We're living in a golden age of astronomy, " Fragile said, referring to the wealth of knowledge generated from space telescopes like Hubble to the upcoming James Webb Space Telescope, to land-based telescopes such as Keck, e mais.

p Computing has helped support the success of astronomy, Fragile said. "What we do in modern-day astronomy couldn't be done without computers, " he concluded. "The simulations that I do are two-fold. They're to help us better understand the complex physics behind astrophysical phenomena. But they're also to help us interpret and predict observations that either have been, can be, or will be made in astronomy."