Uma equipe de físicos e cientistas da computação do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) realizou uma das cinco maiores simulações cosmológicas de todos os tempos. Os dados da simulação informarão os mapas do céu para auxiliar na condução de experimentos cosmológicos em grande escala.

A simulação, chamada de Última Jornada, segue a distribuição de massa em todo o universo ao longo do tempo - em outras palavras, como a gravidade faz com que uma misteriosa substância invisível chamada "matéria escura" se aglomere para formar estruturas em escala maior chamadas halos, dentro do qual as galáxias se formam e evoluem.

"Aprendemos e nos adaptamos muito durante a vida de Mira, e esta é uma oportunidade interessante de olhar para trás e olhar para a frente ao mesmo tempo. "- Adrian Pope, Físico Argonne

Os cientistas realizaram a simulação no supercomputador Mira de Argonne. A mesma equipe de cientistas executou uma simulação cosmológica anterior chamada Outer Rim em 2013, poucos dias depois que o Mira ligou. Depois de executar simulações na máquina ao longo de sua vida útil de sete anos, a equipe marcou a aposentadoria de Mira com a simulação da Última Jornada.

The Last Journey demonstra o quão longe a tecnologia observacional e computacional avançou em apenas sete anos, e contribuirá com dados e insights para experimentos como o experimento de fundo cósmico de micro-ondas baseado no solo Stage-4 (CMB-S4), a Pesquisa de Legado de Espaço e Tempo (realizada pelo Observatório Rubin no Chile), o Instrumento Espectroscópico de Energia Escura e duas missões da NASA, o telescópio espacial romano e o SPHEREx.

“Trabalhamos com um grande volume do universo, e estávamos interessados ​​em estruturas de grande escala, como regiões de milhares ou milhões de galáxias, mas também consideramos a dinâmica em escalas menores, "disse Katrin Heitmann, vice-diretor da divisão de Física de Altas Energias (HEP) da Argonne.

O código que construiu o cosmos

O período de seis meses para a simulação do Last Journey e as principais tarefas de análise apresentaram desafios únicos para o desenvolvimento de software e o fluxo de trabalho. A equipe adaptou parte do mesmo código usado para a simulação Outer Rim 2013 com algumas atualizações significativas para fazer uso eficiente do Mira, um sistema IBM Blue Gene / Q que estava alojado no Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), um DOE Office of Science User Facility.

Especificamente, os cientistas usaram o Código Hardware / Hybrid Accelerated Cosmology (HACC) e sua estrutura de análise, CosmoTools, para permitir a extração incremental de informações relevantes ao mesmo tempo em que a simulação estava sendo executada.

"Executar a máquina completa é um desafio porque ler a enorme quantidade de dados produzidos pela simulação é caro do ponto de vista computacional, então você tem que fazer muitas análises dinamicamente, "disse Heitmann." Isso é assustador, porque se você cometer um erro com as configurações de análise, você não tem tempo para refazer. "

A equipe fez uma abordagem integrada para realizar o fluxo de trabalho durante a simulação. O HACC executaria a simulação adiante no tempo, determinar o efeito da gravidade na matéria durante grandes porções da história do universo. Uma vez que o HACC determinou as posições de trilhões de partículas computacionais que representam a distribuição geral da matéria, CosmoTools entraria em cena para registrar informações relevantes - como encontrar os bilhões de halos que hospedam galáxias - para usar para análise durante o pós-processamento.

"Quando sabemos onde as partículas estão em um determinado momento, caracterizamos as estruturas que se formaram usando CosmoTools e armazenamos um subconjunto de dados para fazer uso posterior, "disse Adrian Pope, Físico e desenvolvedor de HACC e CosmoTools na divisão de Ciência Computacional (CPS) da Argonne. "Se encontrarmos um aglomerado denso de partículas, que indica a localização de um halo de matéria escura, e galáxias podem se formar dentro desses halos de matéria escura. "

Os cientistas repetiram esse processo entrelaçado - onde o HACC move as partículas e o CosmoTools analisa e registra dados específicos - até o final da simulação. A equipe então usou recursos do CosmoTools para determinar quais aglomerados de partículas provavelmente hospedariam galáxias. Para referência, cerca de 100 para 1, 000 partículas representam galáxias únicas na simulação.

"Nós moveríamos partículas, fazer análise, mover partículas, fazer análise, "disse o Papa." No final, iríamos voltar através dos subconjuntos de dados que escolhemos cuidadosamente para armazenar e executar análises adicionais para obter mais informações sobre a dinâmica da formação da estrutura, como quais halos se fundiram e que acabaram orbitando um ao outro. "

Usando o fluxo de trabalho otimizado com HACC e CosmoTools, a equipe executou a simulação na metade do tempo esperado.

Contribuição da comunidade

A simulação da Última Jornada fornecerá os dados necessários para outros experimentos cosmológicos importantes usarem ao comparar observações ou tirar conclusões sobre uma série de tópicos. Esses insights podem lançar luz sobre tópicos que vão desde mistérios cosmológicos, como o papel da matéria escura e da energia escura na evolução do universo, à astrofísica da formação de galáxias em todo o universo.

"Este enorme conjunto de dados que eles estão construindo alimentará muitos esforços diferentes, "disse Katherine Riley, diretor de ciências da ALCF. "No fim, essa é a nossa missão principal - ajudar na realização de ciências de alto impacto. Quando você pode não apenas fazer algo legal, mas para alimentar uma comunidade inteira, é uma grande contribuição que terá um impacto por muitos anos. "

A simulação da equipe irá abordar inúmeras questões fundamentais em cosmologia e é essencial para permitir o refinamento dos modelos existentes e o desenvolvimento de novos, impactando pesquisas cosmológicas em andamento e futuras.

"Não estamos tentando corresponder a nenhuma estrutura específica do universo real, "disse o Papa." Em vez disso, estamos criando estruturas estatisticamente equivalentes, o que significa que se olharmos nossos dados, poderíamos encontrar locais onde viveriam galáxias do tamanho da Via Láctea. Mas também podemos usar um universo simulado como uma ferramenta de comparação para encontrar tensões entre nossa compreensão teórica atual da cosmologia e o que observamos. "

Procurando exascale

"Pensando em quando executamos a simulação do anel externo, você pode realmente ver o quão longe essas aplicações científicas chegaram, "disse Heitmann, que executou Outer Rim em 2013 com a equipe HACC e Salman Habib, Diretor de divisão CPS e Argonne Distinguished Fellow. "Foi incrível administrar algo substancialmente maior e mais complexo que trará tanto para a comunidade."

Enquanto Argonne trabalha para a chegada de Aurora, o supercomputador exascale da ALCF, os cientistas estão se preparando para simulações cosmológicas ainda mais extensas. Os sistemas de computação Exascale serão capazes de realizar um bilhão de bilhões de cálculos por segundo - 50 vezes mais rápido do que muitos dos mais poderosos supercomputadores em operação hoje.

"Aprendemos e nos adaptamos muito durante a vida de Mira, e esta é uma oportunidade interessante de olhar para trás e olhar para frente ao mesmo tempo, "disse o Papa." Ao preparar as simulações em máquinas exascale e uma nova década de progresso, estamos refinando nosso código e ferramentas de análise, e podemos nos perguntar o que não estávamos fazendo por causa das limitações que tínhamos até agora. "

The Last Journey foi uma simulação apenas da gravidade, o que significa que não considerou interações como a dinâmica dos gases e a física da formação estelar. A gravidade é o principal jogador da cosmologia em grande escala, mas os cientistas esperam incorporar outra física em simulações futuras para observar as diferenças que fazem em como a matéria se move e se distribui pelo universo ao longo do tempo.

"Mais e mais, encontramos relacionamentos fortemente acoplados no mundo físico, e para simular essas interações, os cientistas têm que desenvolver fluxos de trabalho criativos para processamento e análise, "disse Riley." Com essas iterações, você é capaz de chegar às suas respostas - e descobertas - ainda mais rápido. "

Um artigo sobre a simulação, intitulado "A última jornada. I. Uma simulação em escala extrema no supercomputador Mira, "foi publicado em 27 de janeiro no Astrophysical Journal Supplement Series . Os cientistas estão atualmente preparando documentos de acompanhamento para gerar catálogos sintéticos detalhados do céu.