I cosmologi stanno sviluppando simulazioni computerizzate dell'universo progettate per funzionare su computer exascale. Questi modelli stanno sfruttando questi supercomputer per fornire nuove informazioni sul passato e sul presente del nostro universo.

Gli scienziati stanno sviluppando queste simulazioni per aiutarli a esplorare alcune delle più grandi domande della fisica. I cosmologi sanno che la materia oscura costituisce circa l'85% della massa dell'universo.

Tuttavia, stanno ancora lavorando per capire come influenza la struttura dell’universo stesso. La luce delle supernove ci ha aiutato a capire che l’universo si espande ogni anno a un ritmo più veloce. Ma l'"energia oscura" che sta causando questa espansione accelerata è ancora un mistero.

Le simulazioni utilizzano dati osservativi provenienti da telescopi che mappano il cielo attuale per testare varie ipotesi su come si è evoluto l’universo. L'Ufficio scientifico del DOE supporta numerosi telescopi che acquisiscono enormi quantità di dati. Il primo lotto di dati provenienti dal Dark Energy Spectroscopic Instrument in Arizona contiene informazioni solo su due milioni di oggetti celesti. Quando la fotocamera Legacy Survey of Space and Time (LSST) presso l'Osservatorio Vera C. Rubin inizierà a raccogliere dati, saranno necessarie centinaia di immagini ogni notte per 10 anni.

I cosmologi utilizzano questi dati per creare enormi mappe del cielo che si estendono ben oltre ciò che possiamo vedere sulla Terra. Queste "rilevazioni del cielo" possono aiutarci a rispondere a domande sull'energia oscura, sulla materia oscura e su altri fenomeni cosmici. Le simulazioni possono anche aiutare gli scienziati a scoprire le migliori strategie per osservare il cielo:dove guardare, quanto spesso e quanto in profondità.

Oltre ad analizzare le osservazioni attuali, i cosmologi sviluppano simulazioni che consentono loro di creare molte versioni diverse dello stesso universo. Ogni versione si basa su ipotesi diverse su come si è evoluto l'universo. Confrontando queste versioni con le mappe basate sulle osservazioni, gli scienziati possono vedere quali ipotesi potrebbero essere le più vicine alla realtà.

Il progetto ExaSky si è concentrato sullo sviluppo di queste simulazioni da eseguire su computer exascale. I computer Exascale possono eseguire un miliardo di miliardi di operazioni in virgola mobile (una forma di calcolo) al secondo. In confronto, chiunque nel mondo dovrebbe affrontare problemi di matematica per cinque anni consecutivi per completare a mano un numero simile di calcoli.

Frontier presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (una struttura utente del DOE Office of Science) è stato il primo computer exascale a essere online nel maggio 2022. Il prossimo, Aurora presso l'Argonne Leadership Computing Facility (un'altra struttura utente), verrà lanciato presto.

Questi computer hanno sia le prestazioni che la memoria per gestire le enormi quantità di calcoli e dati prodotti dalle simulazioni. Oltre al supporto per le strutture degli utenti, l'Office of Science ha anche supportato ExaSky attraverso il progetto Exascale Computing e il programma Scientific Discovery through Advanced Computing.

Fortunatamente, gli scienziati di ExaSky non sono partiti da zero. Questo progetto si è basato su due serie principali di codici informatici che hanno alimentato le simulazioni precedenti. I codici simulano il modo in cui miliardi di galassie si sono formate e disposte in quella che gli scienziati chiamano la rete cosmica. I programmi includono parametri sia sulla struttura che sulla fisica delle singole galassie, nonché sul modo in cui interagiscono con se stesse e con la materia oscura tramite la gravità.

Gli scienziati del progetto ExaSky hanno aggiornato questi codici per sfruttare appieno le capacità dei computer exascale. I computer Exascale utilizzano unità di elaborazione grafica (GPU), simili a quelle utilizzate per la grafica dei videogiochi, per l'elaborazione oltre alle unità di elaborazione centrale (CPU) come in un tipico laptop. L'adattamento a questa diversa forma di hardware spesso richiede revisioni sostanziali dei codici.

Ma eseguire queste simulazioni su computer exascale presenta grandi vantaggi. Questi computer possono eseguire simulazioni molto grandi molto più velocemente. Questa velocità consente loro di ridurre il tempo necessario per rispondere a determinati problemi da mesi a ore. Ciò consentirà loro inoltre di affrontare nuove questioni che in precedenza sarebbero state impossibili da risolvere.

Inoltre, i programmi ExaSky possono simulare una vasta gamma di scale, dalla dimensione delle galassie più piccole fino a una distanza inferiore a un quinto della distanza fino al confine dell'universo osservabile. Si tratta di un intervallo in scala che va da 1 a 10 milioni.

I computer exascale consentono inoltre agli scienziati di sviluppare nuovi modelli in grado di descrivere processi che le attuali simulazioni non possono includere. Ad esempio, i nuclei galattici attivi sono aree nei nuclei centrali delle galassie che emettono radiazioni. Molto probabilmente sono i buchi neri supermassicci a provocarli.

Sebbene questi nuclei galattici attivi siano milioni di volte più massicci del nostro Sole, i processi che li formano sono ancora su una scala troppo piccola per essere inclusi nelle simulazioni attuali. Le simulazioni ExaSky potranno includere questi fenomeni utilizzando modelli approssimati.

Le più grandi domande della cosmologia e le più grandi strutture dell’universo sono difficili da comprendere per gli esseri umani. Gli scienziati che utilizzano computer exascala per eseguire simulazioni stanno fornendo informazioni sul passato, presente e futuro del nostro universo.