I buchi neri sono un grande mistero spaziale. Sono così massicci che niente, nemmeno luce, può sfuggire a un buco nero una volta che si avvicina abbastanza. Un grande mistero per gli scienziati è che ci sono prove di potenti getti di elettroni e protoni che fuoriescono dalla parte superiore e inferiore di alcuni buchi neri. Eppure nessuno sa come si formano questi getti.

Il codice del computer chiamato Cosmos ora alimenta simulazioni al supercomputer di getti di buchi neri e sta iniziando a rivelare i misteri dei buchi neri e di altre stranezze spaziali.

"Cosmo, la radice del nome, derivava dal fatto che il codice era stato originariamente progettato per fare cosmologia. Si è trasformato in una vasta gamma di astrofisica, " ha spiegato Chris Fragile, professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia del College of Charleston. Fragile ha contribuito a sviluppare il codice Cosmos nel 2005 mentre lavorava come ricercatore post-dottorato presso il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), insieme a Steven Murray (LLNL) e Peter Anninos (LLNL).

Fragile ha sottolineato che Cosmos fornisce agli astrofisici un vantaggio perché è rimasto in prima linea nella magnetoidrodinamica relativistica generale (MHD). simulazioni MHD, il magnetismo di fluidi elettricamente conduttori come getti di buchi neri, aggiungono uno strato di comprensione ma sono notoriamente difficili anche per i supercomputer più veloci.

"L'altra area in cui Cosmos ha sempre avuto qualche vantaggio è che ha molti pacchetti di fisica al suo interno, " continuò Fragile. "Questa era la motivazione iniziale di Peter Anninos, in quanto voleva uno strumento di calcolo in cui potesse inserire tutto ciò su cui aveva lavorato nel corso degli anni." Fragile ha elencato alcuni dei pacchetti che includono chimica, combustione nucleare, gravità newtoniana, gravità relativistica, e persino radiazione e raffreddamento radiativo. "È una combinazione abbastanza unica, " disse Fragile.

L'attuale iterazione del codice è CosmosDG, che utilizza metodi discontinui Gelarkin. "Prendi il dominio fisico che vuoi simulare, " ha spiegato Fragile, "e lo spezzi in un mucchio di piccoli, minuscole cellule computazionali, o zone. Fondamentalmente stai risolvendo le equazioni della fluidodinamica in ciascuna di quelle zone." CosmosDG ha consentito un ordine di precisione molto più elevato che mai, secondo i risultati pubblicati nel Giornale Astrofisico , agosto 2017.

"Siamo stati in grado di dimostrare di aver ottenuto molti ordini di grandezza di soluzioni più accurate in quello stesso numero di zone computazionali, " ha dichiarato Fragile. "Quindi, in particolare in scenari in cui sono necessarie soluzioni molto accurate, CosmosDG potrebbe essere un modo per ottenerlo con una spesa computazionale inferiore a quella che avremmo dovuto utilizzare con i metodi precedenti".

XSEDE ECSS aiuta lo sviluppo di Cosmos

Dal 2008, il Texas Advanced Computing Center (TACC) ha fornito risorse computazionali per lo sviluppo del codice Cosmos:circa 6,5 ​​milioni di ore core di supercomputer sul sistema Ranger e 3,6 milioni di ore core sul sistema Stampede. XSEDE, l'eXtreme Science and Engineering Discovery Environment finanziato dalla National Science Foundation, premiato il gruppo di Fragile con l'assegnazione.

"Non posso elogiare abbastanza quanto siano significative le risorse XSEDE, " Fragile ha detto. "La scienza che faccio non sarebbe possibile senza risorse del genere. È una scala di risorse che certamente una piccola istituzione come la mia non potrebbe mai sostenere. Il fatto che disponiamo di queste risorse a livello nazionale consente un'enorme quantità di scienza che altrimenti non sarebbe possibile".

E il fatto è che gli scienziati impegnati a volte possono usare una mano con il loro codice. Oltre all'accesso, XSEDE fornisce anche un pool di esperti attraverso lo sforzo dei servizi di supporto collaborativo esteso (ECSS) per aiutare i ricercatori a sfruttare appieno alcuni dei supercomputer più potenti del mondo.

Fragile ha recentemente ottenuto l'aiuto di XSEDE ECSS per ottimizzare il codice CosmosDG per Stampede2, un supercomputer capace di 18 petaflop e l'ammiraglia di TACC presso l'Università del Texas ad Austin. Stampede2 dispone di 4, 200 nodi Knights Landing (KNL) e 1, 736 nodi Intel Xeon Skylake.

Approfittando di Knights Landing e Stampede2

L'architettura manycore di KNL presenta nuove sfide per i ricercatori che cercano di ottenere le migliori prestazioni di calcolo, secondo Damon McDougall, un ricercatore associato al TACC e anche all'Istituto per l'ingegneria e le scienze computazionali, UT Austin. Ogni nodo KNL di Stampede2 ha 68 core, con quattro thread hardware per core. Sono un sacco di pezzi in movimento da coordinare.

"Questo è un chip per computer che ha molti core rispetto ad alcuni degli altri chip con cui si potrebbe aver interagito su altri sistemi, " ha spiegato McDougall. "Bisogna prestare maggiore attenzione alla progettazione del software per funzionare in modo efficace su quei tipi di chip".

Attraverso ECSS, McDougall ha aiutato Fragile a ottimizzare CosmosDG per Stampede2. "Promuoviamo un certo tipo di parallelismo, chiamato parallelismo ibrido, dove potresti mescolare i protocolli Message Passing Interface (MPI), che è un modo per passare messaggi tra nodi di calcolo, e OpenMP, che è un modo di comunicare su un singolo nodo di calcolo, " ha detto McDougall. "Mescolare questi due paradigmi paralleli è qualcosa che incoraggiamo per questi tipi di architetture. Questo è il tipo di consiglio che possiamo dare e aiutare gli scienziati a implementare su Stampede2 attraverso il programma ECSS".

"Riducendo la quantità di comunicazione che devi fare, "Fragile ha detto, "questa è una delle idee su da dove arriveranno i guadagni su Stampede2. Ma significa un po' di lavoro per i codici legacy come il nostro che non sono stati creati per usare OpenMP. Dobbiamo adattare il nostro codice per includere alcuni Chiamate OpenMP. Questa è una delle cose che Damon ci ha aiutato a cercare di rendere questa transizione il più agevole possibile".

McDougall ha descritto il lavoro ECSS finora con CosmosDG come "molto nascente e in corso, " con molto lavoro iniziale per indagare sui "punti caldi" dell'allocazione della memoria in cui il codice rallenta.

"Una delle cose con cui Damon McDougall è stato davvero utile è aiutarci a rendere i codici più efficienti e aiutarci a utilizzare le risorse XSEDE in modo più efficiente in modo da poter fare ancora più scienza con il livello di risorse che ci vengono fornite, " Aggiunse Fragile.

Oscillazione del buco nero

Alcune delle scienze che Fragile e colleghi hanno già fatto con l'aiuto del codice Cosmos hanno aiutato a studiare l'accrescimento, la caduta dei gas molecolari, e detriti spaziali in un buco nero. L'accrescimento del buco nero alimenta i suoi getti. "Una delle cose per cui credo di essere più famoso è lo studio dei dischi di accrescimento in cui il disco è inclinato, " ha spiegato Fragile.

I buchi neri girano. E così fa il disco di gas e detriti che lo circonda e cade dentro. Tuttavia, ruotano su diversi assi di rotazione. "Siamo stati i primi a studiare casi in cui l'asse di rotazione del disco non è allineato con l'asse di rotazione del buco nero, " Fragile said. General relativity shows that rotating bodies can exert a torque on other rotating bodies that aren't aligned with it.

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.

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.

Golden Age of Astronomy and Computing

"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 altro ancora.

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."