記録破りの宇宙シミュレーション2件、13.4兆個の暗黒物質粒子を追跡

宇宙論者には、ほとんど逆説のように聞こえる問題がある。望遠鏡の性能が上がるほど、見えるものを解釈するのが難しくなるのだ。宇宙の質量の大部分を占めると考えられている目に見えない物質である暗黒物質は、それ自身の光を放たない。その構造は、光を曲げたり、銀河が形成される場所を形作ったりする間接的な方法でのみ可視化される。これらの観測を理論に結びつけるために、研究者たちは広大な仮想宇宙を構築し、進化させる。

米国エネルギー省のアルゴンヌ国立研究所のチームが、前例のない規模でまさにそれを成し遂げた。世界初のエクサスケール・スーパーコンピュータの一つであるAuroraを使用して、科学者たちはこれまでに実行された中で最大の宇宙論的シミュレーション2件を完了したと、中国のScience and Technology Dailyが報じた発表で明らかになった。各シミュレーションは、幅286億光年の領域にわたる13.4兆個の暗黒物質粒子の進化を追跡した。

その数は想像するのが難しい。比較すると、以前の主力シミュレーションは数十億から数兆個程度の粒子を追跡していた。1回の実行で13兆個以上の粒子に跳ね上がるということは、仮想宇宙がはるかに微細な構造を解像できることを意味する。そうした小さな暗黒物質の塊は、さもなければ統計的なもやにぼやけてしまうだろう。これらの小さな構造は、銀河がどのように集まるか、また暗黒物質が遠方の天体の光をどのように歪めるかに指紋を残すため、重要である。

シミュレーションは、宇宙のインフレーションという重要なターゲットを目指している。これは、非常に初期の宇宙が短期間の激しい膨張を経験したという理論である。そのプロセスは、微小な量子ゆらぎを今日の大規模構造の種に引き伸ばしたはずだ。異なるインフレーションシナリオを持つシミュレーション宇宙を実際の観測と比較することで、天文学者はどのバージョンの理論が生き残るかを絞り込むことができる。

実用的な見返りもある。新世代の空の探査は、数十億の銀河をマッピングし、その形状の微妙な歪みを測定している。これらの探査は膨大なデータセットを生成し、そこから宇宙論的情報を引き出すには、同様に膨大な理論的予測が必要である。Auroraの実行は、その分析のための参照ライブラリとして機能し、研究者が真の信号をノイズやモデリングのアーティファクトから分離するのを助けることを目的としている。

エクサスケール・コンピューティング、つまり毎秒100京回以上の計算が可能なマシンは、長い間求められてきたマイルストーンである。シカゴ近郊のアルゴンヌに拠点を置くAuroraは、その閾値を超えた最初のシステムの一つである。宇宙論はそのショーケースワークロードの一つとなっている。暗黒物質の重力のみのシミュレーションは計算負荷が高いが、モデル化は比較的クリーンであるため、新しいハードウェアの理想的なストレステストとなるからだ。

世界の読者にとって、この話は現代の天文学がますます計算科学の事業になっていることを思い起こさせる。望遠鏡は光子を集めるが、スーパーコンピュータがそれを理解に変える。チリ、ハワイ、そして最終的には宇宙にある天文台がこれまで以上に大きな銀河のカタログを生成するにつれて、ボトルネックはデータ収集からその解釈へと移りつつある。

アルゴンヌチームの結果はまだシミュレーションであり、発見ではない。その科学的価値は、現実とどれだけ一致するかにかかっている。しかし、粒子数の倍増ごとに仮想宇宙は現実の宇宙に少しずつ近づき、宇宙の最大の構造が今、イリノイ州のマシン上で粒子一つ一つ再現されている。