Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà khoa học đã sử dụng một siêu máy tính để thực hiện một trong năm mô phỏng vũ trụ lớn nhất từ trước đến nay – Chuyến du hành cuối cùng. Mô phỏng này sẽ cung cấp dữ liệu quan trọng cho bản đồ bầu trời để hỗ trợ các thí nghiệm vũ trụ hàng đầu.
Một nhóm các nhà vật lý và khoa học máy tính từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã thực hiện một trong năm mô phỏng vũ trụ lớn nhất từ trước đến nay. Dữ liệu từ mô phỏng sẽ cung cấp thông tin về bản đồ bầu trời để hỗ trợ các thí nghiệm vũ trụ quy mô lớn hàng đầu.
Mô phỏng được gọi là Chuyến du hành cuối cùng theo dõi sự phân bố khối lượng trên toàn vũ trụ theo thời gian – nói cách khác, lực hấp dẫn khiến một chất vô hình bí ẩn gọi là “vật chất tối” kết tụ với nhau để tạo thành cấu trúc quy mô lớn hơn được gọi là quầng sáng, trong đó thiên hà hình thành và phát triển.
Các nhà khoa học đã thực hiện mô phỏng trên siêu máy tính Mira của Argonne. Cùng một nhóm các nhà khoa học đã thực hiện một mô phỏng vũ trụ trước đó có tên là Outer Rim vào năm 2013, chỉ vài ngày sau khi Mira bật lại. Sau khi chạy mô phỏng trên máy trong suốt vòng đời bảy năm của nó, nhóm nghiên cứu đã đánh dấu sự nghỉ hưu của Mira bằng mô phỏng Chuyến đi cuối cùng.
Hành trình cuối cùng chứng minh công nghệ tính toán và quan sát đã tiến xa đến mức nào chỉ trong bảy năm, đồng thời nó sẽ đóng góp dữ liệu và thông tin chi tiết cho các thí nghiệm như thí nghiệm nền vi sóng vũ trụ trên mặt đất Giai đoạn 4 (CMB-S4), Khảo sát kế thừa về không gian và Thời gian (do Đài thiên văn Rubin ở Chile thực hiện), Dụng cụ Quang phổ Năng lượng Tối và hai sứ mệnh của NASA, Kính viễn vọng Không gian La Mã và SPHEREx.
Katrin Heitmann, phó giám đốc bộ phận của Argonne’s High cho biết: “Chúng tôi đã làm việc với một khối lượng khổng lồ của vũ trụ và chúng tôi quan tâm đến các cấu trúc quy mô lớn, như các khu vực của hàng nghìn hoặc hàng triệu thiên hà, nhưng chúng tôi cũng xem xét động lực học ở quy mô nhỏ hơn” Bộ phận Vật lý Năng lượng (HEP)”.
Đoạn mã đã xây dựng vũ trụ
Khoảng thời gian sáu tháng cho mô phỏng Hành trình cuối cùng và các nhiệm vụ phân tích chính đã đưa ra những thách thức độc đáo đối với phát triển phần mềm và quy trình làm việc. Nhóm đã điều chỉnh một số mã tương tự được sử dụng cho mô phỏng Vành đai ngoài năm 2013 với một số cập nhật quan trọng để sử dụng hiệu quả Mira, một hệ thống IBM Blue Gene / Q được đặt tại Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), một Văn phòng DOE của Cơ sở Khoa học Người dùng.
Cụ thể, các nhà khoa học đã sử dụng Mã vũ trụ gia tốc phần cứng / hỗn hợp (HACC) và khung phân tích của nó, CosmoTools, để cho phép trích xuất gia tăng thông tin liên quan cùng lúc khi mô phỏng đang chạy.
Heitmann cho biết: “Việc chạy toàn bộ máy là một thách thức vì việc đọc một lượng lớn dữ liệu được tạo ra từ mô phỏng rất tốn kém về mặt tính toán, vì vậy chúng ta phải thực hiện rất nhiều phân tích. “Điều đó thật khó khăn, bởi vì nếu chúng ta mắc lỗi với cài đặt phân tích, chúng ta sẽ không có thời gian để làm lại.”
Nhóm đã thực hiện một cách tiếp cận tích hợp để thực hiện quy trình làm việc trong quá trình mô phỏng. HACC sẽ chạy mô phỏng về phía trước trong thời gian, xác định tác động của lực hấp dẫn lên vật chất trong một phần lớn lịch sử của vũ trụ. Sau khi HACC xác định vị trí của hàng nghìn tỷ hạt tính toán đại diện cho sự phân bố tổng thể của vật chất, CosmoTools sẽ ghi lại thông tin liên quan – chẳng hạn như tìm ra hàng tỷ quầng sáng chứa các thiên hà – để sử dụng cho việc phân tích trong quá trình xử lý sau.
Adrian Pope, nhà vật lý và cốt lõi của HACC và CosmoTools, nhà phát triển trong bộ phận Khoa học tính toán (CPS) của Argonne cho biết: “Khi chúng tôi biết vị trí của các hạt tại một thời điểm nhất định, chúng tôi xác định đặc điểm của các cấu trúc đã hình thành bằng cách sử dụng CosmoTools và lưu trữ một tập hợp con dữ liệu để sử dụng thêm. Nếu chúng ta tìm thấy một đám hạt dày đặc, điều đó cho thấy vị trí của quầng vật chất tối và các thiên hà có thể hình thành bên trong những quầng sáng vật chất tối này.”
Các nhà khoa học lặp lại quá trình đan xen này – nơi HACC di chuyển các hạt và CosmoTools phân tích và ghi lại dữ liệu cụ thể – cho đến khi kết thúc mô phỏng. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các tính năng của CosmoTools để xác định những đám hạt nào có khả năng là vật chủ của các thiên hà. Để tham khảo, khoảng 100 đến 1.000 hạt đại diện cho các thiên hà đơn lẻ trong mô phỏng.
“Chúng tôi sẽ di chuyển các hạt, phân tích, di chuyển các hạt, phân tích,” Pope nói. “Cuối cùng, chúng tôi sẽ xem lại các tập hợp con dữ liệu mà chúng tôi đã lựa chọn cẩn thận để lưu trữ và chạy phân tích bổ sung để hiểu sâu hơn về động lực hình thành cấu trúc, chẳng hạn như các quầng sáng kết hợp với nhau và kết thúc quay quanh nhau. “
Sử dụng quy trình làm việc được tối ưu hóa với HACC và CosmoTools, nhóm đã chạy mô phỏng trong một nửa thời gian dự kiến.
Đóng góp từ cộng đồng
Mô phỏng Hành trình cuối cùng sẽ cung cấp dữ liệu cần thiết cho các thí nghiệm vũ trụ quan trọng khác để sử dụng khi so sánh các quan sát hoặc rút ra kết luận về một loạt các chủ đề. Những hiểu biết này có thể làm sáng tỏ các chủ đề từ bí ẩn vũ trụ, chẳng hạn như vai trò của vật chất tối và năng lượng tối trong sự tiến hóa của vũ trụ, đến vật lý thiên văn về sự hình thành thiên hà trên khắp vũ trụ.
Katherine Riley, giám đốc khoa học của ALCF cho biết: “Tập dữ liệu khổng lồ mà họ đang xây dựng này sẽ thúc đẩy nhiều nỗ lực khác nhau. “Cuối cùng, đó là sứ mệnh chính của chúng tôi – giúp khoa học có tác động cao được hoàn thành. Khi chúng ta có thể không chỉ làm điều gì đó thú vị mà còn nuôi sống cả cộng đồng, đó là một đóng góp to lớn sẽ có tác động đến nhiều người nhiều năm. “
Mô phỏng của nhóm sẽ giải quyết nhiều câu hỏi cơ bản trong vũ trụ học và rất cần thiết để cho phép tinh chỉnh các mô hình hiện có và phát triển các mô hình mới, tác động đến cả các cuộc khảo sát vũ trụ đang diễn ra và sắp tới.
Nhóm mô phỏng không cố gắng khớp với bất kỳ cấu trúc cụ thể nào trong vũ trụ thực. Thay vào đó, họ đang tạo ra các cấu trúc tương đương về mặt thống kê, có nghĩa là nếu chúng ta xem qua dữ liệu của mình, chúng ta có thể tìm thấy các vị trí nơi các thiên hà có kích thước bằng Dải Ngân hà sẽ sinh sống. Nhưng các nhà khoa học cũng có thể sử dụng một vũ trụ mô phỏng như một công cụ so sánh để tìm căng thẳng giữa hiểu biết lý thuyết hiện tại của họ về vũ trụ học và những gì họ đã quan sát được.
Tìm kiếm exascale
Khi Argonne làm việc để hướng tới sự xuất hiện của Aurora, siêu máy tính ngoại vi sắp tới của ALCF, các nhà khoa học đang chuẩn bị cho những mô phỏng vũ trụ sâu rộng hơn nữa. Hệ thống điện toán Exascale sẽ có thể thực hiện một tỷ tỷ phép tính mỗi giây – nhanh hơn gấp 50 lần so với nhiều siêu máy tính mạnh nhất đang hoạt động hiện nay.
Chuyến du hành cuối cùng là một mô phỏng chỉ có trọng lực, có nghĩa là nó không xem xét các tương tác như động lực học khí và vật lý của sự hình thành sao. Lực hấp dẫn đóng vai trò chính trong vũ trụ học quy mô lớn, nhưng các nhà khoa học hy vọng sẽ kết hợp các vật lý khác trong các mô phỏng trong tương lai để quan sát sự khác biệt mà chúng tạo ra trong cách vật chất di chuyển và phân bố trong vũ trụ theo thời gian.
Ngày càng có nhiều mối quan hệ được kết hợp chặt chẽ trong thế giới vật chất, và để mô phỏng những tương tác này, các nhà khoa học phải phát triển các quy trình làm việc sáng tạo để xử lý và phân tích. Với những lần lặp lại này, chúng ta có thể đi đến câu trả lời – và những bước đột phá của chúng ta – thậm chí còn nhanh hơn.
Nguồn truyện:
Vật liệu do Phòng thí nghiệm Quốc gia DOE / Argonne cung cấp . Bản gốc do Savannah Mitchem viết. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.
Tham khảo Tạp chí :