Две рекордные симуляции Вселенной отслеживают 13,4 триллиона частиц темной материи
У космологов есть проблема, которая звучит почти как парадокс: чем лучше становятся их телескопы, тем труднее интерпретировать то, что они видят. Темная материя — невидимое вещество, которое, как считается, составляет большую часть массы Вселенной, — не испускает собственного света. Ее структура становится видимой лишь косвенно, через то, как она искривляет свет и определяет места формирования галактик. Чтобы связать эти наблюдения с теорией, исследователи создают огромные виртуальные вселенные и позволяют им эволюционировать.
Именно это только что сделала команда из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США в беспрецедентном масштабе. Используя Aurora, один из первых в мире экзафлопсных суперкомпьютеров, ученые завершили две крупнейшие космологические симуляции из когда-либо проводившихся, согласно объявлению, о котором сообщило китайское издание Science and Technology Daily. Каждая симуляция отслеживала эволюцию 13,4 триллиона частиц темной материи в области шириной 28,6 миллиарда световых лет.
Это число трудно представить. Для сравнения, предыдущие флагманские симуляции отслеживали частицы, исчисляемые миллиардами или несколькими триллионами. Переход к более чем 13 триллионам частиц в одном запуске означает, что виртуальный космос может разрешать гораздо более тонкие структуры — небольшие сгустки темной материи, которые иначе размылись бы в статистическую дымку. Эти малые структуры важны, потому что они оставляют отпечатки на том, как группируются галактики и как темная материя искажает свет далеких объектов.
Симуляции нацелены на ключевую цель: космическую инфляцию — теорию о том, что очень ранняя Вселенная пережила краткий, стремительный всплеск расширения. Этот процесс должен был растянуть крошечные квантовые флуктуации в зародыши крупномасштабной структуры сегодняшнего дня. Сравнивая смоделированные вселенные с различными сценариями инфляции с реальными наблюдениями, астрономы могут сузить круг версий теории, которые выживают.
Есть и практическая отдача. Новое поколение обзоров неба картографирует миллиарды галактик и измеряет тонкие искажения их форм. Эти обзоры производят огромные наборы данных, и для извлечения из них космологической информации требуются столь же огромные теоретические предсказания. Запуски на Aurora предназначены для того, чтобы служить справочной библиотекой для такого анализа, помогая исследователям отделять подлинные сигналы от шума и артефактов моделирования.
Экзафлопсные вычисления, то есть машины, способные выполнять более квинтиллиона операций в секунду, долгое время были желанной вехой. Aurora, расположенная в Аргонне недалеко от Чикаго, входит в число первых систем, преодолевших этот порог. Космология стала одной из ее показательных рабочих нагрузок, поскольку симуляции темной материи с учетом только гравитации требуют больших вычислительных ресурсов, но относительно чисты для моделирования, что делает их идеальным стресс-тестом для нового оборудования.
Для мировой аудитории эта история — напоминание о том, что современная астрономия все больше становится вычислительным предприятием. Телескопы собирают фотоны, но суперкомпьютеры превращают их в понимание. Поскольку обсерватории в Чили, на Гавайях и в конечном итоге в космосе генерируют все более крупные каталоги галактик, узкое место смещается от сбора данных к их интерпретации.
Результаты команды из Аргонна — это пока симуляции, а не открытия, и их научная ценность будет зависеть от того, насколько хорошо они соответствуют реальности. Но каждое удвоение числа частиц приближает виртуальную вселенную к реальной, и крупнейшие структуры космоса теперь воссоздаются на машине в Иллинойсе, частица за частицей.