Суперкомпьютер Даремского университета моделирует Вселенную

Учебные заведения редко могут похвастаться вычислительной мощностью, но университету Дарема в этом плане повезло. В его полном распоряжении находится один из самых быстрых суперкомпьютеров планеты – DiRAC. Сейчас ему нашлась новая работа – максимально детальное моделирование Вселенной, учитывающее последние данные астрономических наблюдений.

Распределение галактик в моделировании EAGLE (изображение: icc.dur.ac.uk).

Все астрофизические события отличаются огромным масштабом. Они происходят на колоссальных временных отрезках и немыслимых расстояниях. В отличие от других исследователей, астрономы не могут выполнить эксперименты и проверить свои теории. Можно смешать газ под давлением или столкнуть несколько шариков, но это бесконечно далеко от процесса формирования звёзд и столкновения галактик.

Даже многолетние наблюдения – мизер по сравнению с возрастом Вселенной. Фактически они показывают только текущий момент, а точнее – состояние в прошлом из-за большого расстояния до наблюдаемого объекта, конечной скорости света и ускоряющегося расширения Вселенной. Проверить свои теории астрофизики могут только при помощи численного моделирования. Сравнивая его результаты с известными фактами, они постепенно отбрасывают недостаточно точные модели.

Температурная карта Вселенной в проекте EAGLE (изображение: eagle.strw.leidenuniv.nl).

Попытки создать математическую модель Солнечной системы, целой галактики или даже видимой части Вселенной предпринимались уже давно, но по сегодняшним меркам все они были довольно грубыми. Проект EAGLE (Evolution and Assembly of GaLaxies and their Environments) – это новая попытка пролить свет на фундаментальные космологические проблемы. Образование галактик и сверхскоплений, эволюция и распределение звёзд разных типов – всё это изучают при помощи точного моделирования, анализируя поведение 7 млрд частиц и сопоставляя данные об известных космических объектах.

Обычно научные группы ставят свои вычислительные задачи в очередь и получают на время какую-то часть ресурсов суперкомпьютера. Для первичных расчётов EAGLE потребовалось более полутора месяцев машинного времени и 4000 вычислительных ядер Дирака-2 (250 процессоров Power 16C). Всего у этого монстра архитектуры IBM BlueGene/Q доступно 98304 ядер, работающих на частоте 1,6 ГГц. В текущем рейтинге TOP500 он занимает 61 место.

С помощью DiRAC-2 процессы формирования и эволюции галактик изучались в участке пространства протяжённостью 100 мегапарсек (более 326 миллионов световых лет). Это гораздо меньше видимой части Вселенной, но почти в десять тысяч раз больше диаметра нашей галактики Млечный Путь и уже достаточно для анализа процессов в галактических скоплениях. Моделирование выполнялось в свободно распространяемом программном обеспечении GADGET-2. Оно было создано аспирантом Фолькером Шпрингелем (Volker Springel) под руководством Саймона Уайта (Simon White) в Институте астрофизики общества Макса Планка (Гархинг, Германия).

Исходная версия подверглась сильной модифицикации сотрудниками The Virgo Consortium – организации, разрабатывающей методы астрофизического моделирования. Её оптимизировали для массивно-параллельных архитектур с распределенной памятью и научили рассчитывать гравитационные взаимодействия с учётом современных данных о космологическом расширении пространства (из проекта WMAP). Также GADGET-2 способен учитывать различные поправки, включая радиационный нагрев и охлаждение газопылевых образований за счёт их экранирования частицами углерода.

В проекте EAGLE воспроизведены все типы галактик (последовательность Хаббла).

Моделирование в EAGLE начинается с математического описания однородной Вселенной. Такой выбор следует из данных об уровнях реликтового излучения, полученных аппаратурой спутника «Планк» (созданного ЕКА) и подтвердивших инфляционную теорию. Затем во Вселенной возникают локальные неоднородности, а в модель её развития вводятся уточнённые значения ключевых параметров: плотность темной материи, которая позволяет расти новым структурам, барионной материи – газа, из которого формируются первые звезды, и космологическая постоянная – фактор расширения с ускорением.

Тёмная материя компенсирует эффект разбегания и позволяет звёздам объединяться в галактики, а галактикам – в кластеры и сверхскопления. Новая модель хорошо согласуется с наблюдениями за процессами в галактике Сигара (M82) и кластером Персея (Abell 426). На сайте проекта можно скачать изображения в высоком разрешении и видеоролики.