Un team di fisici e scienziati informatici del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne National Laboratory ha eseguito una delle cinque più grandi simulazioni cosmologiche di sempre. I dati della simulazione informeranno le mappe del cielo per aiutare i principali esperimenti cosmologici su larga scala.

La simulazione, chiamato l'ultimo viaggio, segue la distribuzione della massa nell'universo nel tempo, in altre parole, come la gravità fa aggregare una misteriosa sostanza invisibile chiamata "materia oscura" per formare strutture su larga scala chiamate aloni, all'interno del quale si formano ed evolvono le galassie.

"Abbiamo imparato e ci siamo adattati molto durante la vita di Mira, e questa è un'interessante opportunità per guardare indietro e guardare avanti allo stesso tempo."—Adrian Pope, Fisico Argonne

Gli scienziati hanno eseguito la simulazione sul supercomputer Mira di Argonne. Lo stesso team di scienziati ha eseguito una precedente simulazione cosmologica chiamata Outer Rim nel 2013, pochi giorni dopo l'accensione di Mira. Dopo aver eseguito simulazioni sulla macchina durante i suoi sette anni di vita, la squadra ha segnato il ritiro di Mira con la simulazione dell'ultimo viaggio.

The Last Journey dimostra fino a che punto è arrivata la tecnologia di osservazione e computazionale in soli sette anni, e contribuirà con dati e approfondimenti a esperimenti come l'esperimento di fondo a microonde cosmico a terra Stage-4 (CMB-S4), la Legacy Survey of Space and Time (effettuata dall'Osservatorio Rubin in Cile), il Dark Energy Spectroscopic Instrument e due missioni della NASA, il telescopio spaziale romano e SPHEREx.

"Abbiamo lavorato con un volume enorme dell'universo, ed eravamo interessati a strutture su larga scala, come regioni di migliaia o milioni di galassie, ma abbiamo anche considerato le dinamiche a scale più piccole, " ha detto Katrin Heitmann, vicedirettore della divisione per la fisica delle alte energie (HEP) di Argonne.

Il codice che ha costruito il cosmo

L'intervallo di sei mesi per la simulazione dell'ultimo viaggio e le principali attività di analisi hanno presentato sfide uniche per lo sviluppo del software e il flusso di lavoro. Il team ha adattato parte dello stesso codice utilizzato per la simulazione Outer Rim del 2013 con alcuni aggiornamenti significativi per fare un uso efficiente di Mira, un sistema IBM Blue Gene/Q ospitato presso l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

Nello specifico, gli scienziati hanno utilizzato l'Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC) e il suo framework di analisi, CosmoTools, per consentire l'estrazione incrementale di informazioni rilevanti contemporaneamente all'esecuzione della simulazione.

"Fare funzionare l'intera macchina è impegnativo perché la lettura dell'enorme quantità di dati prodotti dalla simulazione è costosa dal punto di vista computazionale, quindi devi fare molte analisi al volo, " ha detto Heitmann. "Questo è scoraggiante, perché se commetti un errore con le impostazioni di analisi, non hai tempo per rifarlo."

Il team ha adottato un approccio integrato per eseguire il flusso di lavoro durante la simulazione. HACC farebbe avanzare la simulazione nel tempo, determinare l'effetto della gravità sulla materia durante gran parte della storia dell'universo. Una volta che l'HACC ha determinato le posizioni di trilioni di particelle computazionali che rappresentano la distribuzione complessiva della materia, CosmoTools interviene per registrare informazioni rilevanti, come trovare i miliardi di aloni che ospitano le galassie, da utilizzare per l'analisi durante la post-elaborazione.

"Quando sappiamo dove si trovano le particelle in un determinato momento, caratterizziamo le strutture che si sono formate utilizzando CosmoTools e memorizziamo un sottoinsieme di dati da utilizzare ulteriormente in futuro, " ha detto Adrian Pope, fisico e sviluppatore principale di HACC e CosmoTools nella divisione Computational Science (CPS) di Argonne. "Se troviamo un denso ammasso di particelle, che indica la posizione di un alone di materia oscura, e le galassie possono formarsi all'interno di questi aloni di materia oscura".

Gli scienziati hanno ripetuto questo processo intrecciato, in cui l'HACC sposta le particelle e CosmoTools analizza e registra dati specifici, fino alla fine della simulazione. Il team ha quindi utilizzato le funzionalità di CosmoTools per determinare quali gruppi di particelle avrebbero probabilmente ospitato le galassie. Per riferimento, circa 100 a 1, 000 particelle rappresentano singole galassie nella simulazione.

"Sposteremmo particelle, fare analisi, spostare le particelle, fare analisi, " disse Pope. "Alla fine, vorremmo tornare indietro attraverso i sottoinsiemi di dati che avevamo scelto con cura per archiviare ed eseguire analisi aggiuntive per ottenere maggiori informazioni sulle dinamiche della formazione della struttura, come quali aloni si sono fusi insieme e hanno finito per orbitare l'uno attorno all'altro."

Utilizzando il flusso di lavoro ottimizzato con HACC e CosmoTools, il team ha eseguito la simulazione in metà del tempo previsto.

Contributo comunitario

La simulazione dell'ultimo viaggio fornirà i dati necessari per altri importanti esperimenti cosmologici da utilizzare quando si confrontano osservazioni o si traggono conclusioni su una serie di argomenti. Queste intuizioni potrebbero far luce su argomenti che vanno dai misteri cosmologici, come il ruolo della materia oscura e dell'energia oscura nell'evoluzione dell'universo, all'astrofisica della formazione delle galassie nell'universo.

"Questo enorme set di dati che stanno costruendo alimenterà molti sforzi diversi, " ha detto Katherine Riley, direttore scientifico dell'ALCF. "Alla fine, questa è la nostra missione principale:aiutare la scienza ad alto impatto a essere realizzata. Quando sei in grado non solo di fare qualcosa di interessante, ma per sfamare un'intera comunità, questo è un enorme contributo che avrà un impatto per molti anni".

La simulazione del team affronterà numerose questioni fondamentali in cosmologia ed è essenziale per consentire il perfezionamento dei modelli esistenti e lo sviluppo di nuovi, influenzando sia le indagini cosmologiche in corso che quelle future.

"Non stiamo cercando di abbinare nessuna struttura specifica nell'universo reale, " disse Pope. "Piuttosto, stiamo realizzando strutture statisticamente equivalenti, il che significa che se esaminassimo i nostri dati, potremmo trovare luoghi in cui vivrebbero galassie delle dimensioni della Via Lattea. Ma possiamo anche usare un universo simulato come strumento di confronto per trovare le tensioni tra la nostra attuale comprensione teorica della cosmologia e ciò che abbiamo osservato».

Cercando di esascale

"Ripensando a quando abbiamo eseguito la simulazione del bordo esterno, puoi davvero vedere fino a che punto sono arrivate queste applicazioni scientifiche, " disse Heitmann, che ha eseguito Outer Rim nel 2013 con il team HACC e Salman Habib, Direttore della divisione CPS e Argonne Distinguished Fellow. "È stato fantastico gestire qualcosa di sostanzialmente più grande e complesso che porterà così tanto alla comunità".

Mentre Argonne lavora per l'arrivo di Aurora, il prossimo supercomputer esascala dell'ALCF, gli scienziati si stanno preparando per simulazioni cosmologiche ancora più estese. I sistemi informatici Exascale saranno in grado di eseguire un miliardo di miliardi di calcoli al secondo, 50 volte più velocemente di molti dei più potenti supercomputer attualmente in funzione.

"Abbiamo imparato e ci siamo adattati molto durante la vita di Mira, e questa è un'interessante opportunità per guardare indietro e guardare avanti allo stesso tempo, "ha detto Pope. "Quando ci si prepara per le simulazioni su macchine esascala e un nuovo decennio di progresso, stiamo perfezionando il nostro codice e gli strumenti di analisi, e arriviamo a chiederci cosa non stavamo facendo a causa dei limiti che abbiamo avuto fino ad ora".

The Last Journey era una simulazione basata esclusivamente sulla gravità, il che significa che non ha considerato interazioni come la dinamica dei gas e la fisica della formazione stellare. La gravità è l'attore principale nella cosmologia su larga scala, ma gli scienziati sperano di incorporare altra fisica nelle simulazioni future per osservare le differenze che fanno nel modo in cui la materia si muove e si distribuisce attraverso l'universo nel tempo.

"Sempre più, troviamo relazioni strettamente legate nel mondo fisico, e per simulare queste interazioni, gli scienziati devono sviluppare flussi di lavoro creativi per l'elaborazione e l'analisi, " disse Riley. "Con queste iterazioni, sei in grado di arrivare alle tue risposte e alle tue scoperte ancora più velocemente."

Un documento sulla simulazione, intitolato "The Last Journey. I. Una simulazione su scala estrema sul supercomputer Mira, " è stato pubblicato il 27 gennaio nel Serie di supplementi per riviste astrofisiche . Gli scienziati stanno attualmente preparando documenti di follow-up per generare cataloghi sintetici dettagliati del cielo.