Simulazione numerico-relativistica di due stelle di neutroni inspiranti e fondenti. Le densità maggiori sono mostrate in arancione, le densità inferiori sono sono mostrate in rosso. Credito:K. Kiuchi (Istituto Yukawa per la fisica teorica, Università di Kyoto), T. Wada (Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone)
Per la prima volta, un computer ad alte prestazioni consentirà di simulare onde gravitazionali, campi magnetici e fisica dei neutrini delle stelle di neutroni contemporaneamente.
La divisione di Astrofisica Relativistica Computazionale del Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute/AEI) di Potsdam ha recentemente messo in funzione un 11, Cluster di computer con 600 CPU. Il nuovo cluster ad alte prestazioni chiamato Sakura si trova presso il Max Planck Computing and Data Facility (MPCDF) a Garching e sarà utilizzato per simulazioni numerico-relativistiche di potenti eventi astrofisici. Quando le stelle di neutroni nascono in supernovae con collasso del nucleo o si fondono tra loro eoni dopo, enormi quantità di onde elettromagnetiche, neutrini, e vengono emesse onde gravitazionali. I processi astrofisici sottostanti non sono ben compresi e richiedono soluzioni altamente complesse, non lineare, equazioni alle derivate parziali. Con Sakura, gli scienziati eseguiranno simulazioni fisicamente accurate e ad alta risoluzione per migliorare significativamente la nostra comprensione del processo di fusione delle stelle di neutroni binarie e della formazione di buchi neri.
La divisione di Astrofisica Relativistica Computazionale dell'AEI si concentra su simulazioni numerico-relativistiche di eventi astrofisici che generano sia onde gravitazionali che radiazioni elettromagnetiche risolvendo le equazioni di Einstein e le equazioni della materia della relatività generale su computer ad alte prestazioni. Queste simulazioni svolgono un ruolo cruciale nella previsione di forme d'onda gravitazionali accurate per la ricerca nei dati del rivelatore e per l'esplorazione di fenomeni luminosi ad alta energia come i lampi di raggi gamma e le kilonovae. Utilizzando computer più potenti, gli scienziati possono prendere in considerazione la fisica più complicata necessaria per comprendere i fenomeni astrofisici. Uno degli obiettivi ambiziosi degli scienziati è eseguire una simulazione fisicamente accurata e ad alta risoluzione per capire come si fondono le stelle di neutroni binarie.
"I cluster di computer ad alte prestazioni sono i nostri laboratori virtuali, "dice Masaru Shibata, Direttore della Divisione di Astrofisica Relativistica Computazionale. "Non possiamo creare stelle di neutroni in un laboratorio, lasciarli unire e monitorare cosa succede. Ma possiamo prevedere cosa accadrà durante la coalescenza di due stelle di neutroni tenendo conto di tutti i processi importanti e risolvendo accuratamente le equazioni corrispondenti che descrivono il loro comportamento. Questi calcoli richiedono un'enorme potenza di calcolo e spesso durano diversi mesi anche su computer molto grandi. Con Sakura ora abbiamo 11, 600 core CPU con 0, 9 petaFLOP/s per queste simulazioni numeriche a nostra disposizione."
Nei calcoli precedenti, gli scienziati non sono stati in grado di prendere in considerazione sia gli effetti dei campi magnetici che la fisica dei neutrini in una simulazione. Masaru Shibata spiega:"Oltre al fatto che il codice è ancora in fase di sviluppo, le risorse computazionali giocano un ruolo cruciale. Con il nuovo grande computer, pensiamo che sia possibile eseguire una simulazione che tenga conto dei campi magnetici e della fisica dei neutrini insieme e ottenere il quadro completo della fisica della fusione delle stelle di neutroni".
Il cluster ad alte prestazioni Sakura, situato presso la Max Planck Computing and Data Facility (MPCDF) a Garching, saranno utilizzati per simulazioni numerico-relativistiche di potenti eventi astrofisici. Credito:K. Zilker (Max Planck Computing and Data Facility (MPCDF))
Oltre al nuovo cluster di computer ad alte prestazioni Sakura ("fiore di ciliegio" in giapponese) a Garching, la divisione gestisce due server di calcolo più piccoli presso l'AEI di Potsdam:"Yamazaki" (la parola giapponese per "montagne") e "Tani" (che significa "valle" in giapponese). "Facciamo piccoli lavori su piccoli computer, " spiega Masaru Shibata. "Utilizziamo la potenza del nostro computer interno per lo sviluppo dei codici di calcolo e per i test." L'infrastruttura locale è necessaria anche per l'analisi dei dati delle simulazioni eseguite presso il centro di calcolo di Garching.
Specifiche tecniche
Sakura a Garching fa parte dell'infrastruttura del Centro di calcolo MPCDF ed è integrato in una rete Omnipath-100 veloce e connessioni Ethernet da 10 Gb. Consiste di nodi head con processori Intel Xeon Silver 10 core e memoria principale da 192 GB a 384 GB, nonché nodi di calcolo con CPU Intel Xeon Gold 6148.
I server di calcolo Yamazaki a Potsdam sono 13 nodi autonomi con processori Intel Xeon Gold QuadCore (18 core per processore, 4 processori per server) e memoria principale da 192 a 256 GB.
Per la conservazione, lavorando e analizzando parti più piccole delle enormi uscite di simulazione dal cluster Garching (60 Terabyte ogni 3 mesi) uno storage da 500 TB chiamato Tani (2 JBODS con 60 dischi, ogni 10 TB in ridondanza Raid-1) viene utilizzato presso l'AEI di Potsdam.
