https://bodybydarwin.com
Slider Image

In der größten Simulation des Universums, die jemals erstellt wurde

2021

Stellen Sie sich vor, Sie müssten ein komplexes Algebra-Problem lösen, das zu 95 Prozent aus Variablen und nur zu fünf Prozent aus bekannten Werten besteht. Dies ist vielleicht eine grobe Analogie, aber sie zeichnet ein ziemlich genaues Bild der Aufgabe, vor der moderne Kosmologen stehen. Die vorherrschende Denkrichtung besagt, dass das Universum hauptsächlich aus dunkler Materie und dunkler Energie besteht, zwei mysteriösen Wesenheiten, die nie direkt beobachtet oder gemessen wurden, obwohl die kosmologische Mathematik darauf besteht, dass sie real sind. Wir können ihre wahrgenommenen Effekte sehen, aber wir können sie nicht direkt sehen - und daher können wir die reale Struktur unseres eigenen Universums nicht sehen.

Und so machen wir Modelle. Irgendwann im nächsten Monat wird der drittschnellste Supercomputer der Welt - bekannt als Mira - Tests seiner neuen aktualisierten Software abschließen und die größten kosmologischen Simulationen ausführen, die jemals im Argonne National Laboratory durchgeführt wurden. Diese Simulationen sind gewaltig, da riesige Datenmengen aus der neuesten Generation von High-Fidelity-Himmelsvermessungen in Modelle des Universums zerlegt werden, die größer, höher auflösend und statistisch genauer sind als alle zuvor. Wenn es fertig ist, sollten Wissenschaftler einige erstaunlich hochwertige Visualisierungen des sogenannten "kosmischen Webs" haben, das das Universum so verbindet, wie wir es verstehen. Und sie werden die besten statistischen Modelle des Kosmos haben, die Kosmologen jemals gesehen haben.

In den meisten Fällen tun wir dies, um die neuesten Sky-Survey-Daten in aussagekräftige Daten umzuwandeln. Die Wissenschaftler hoffen, dass diese Modelle einige dringende Fragen zu Dunkler Materie, Dunkler Energie und der Gesamtstruktur des Kosmos beantworten. Besonders ärgerlich sind Fragen zur Dunklen Energie, die angeblich die Expansion des Universums beschleunigen und - eigentlich ist das so ziemlich alles, was wir darüber wissen.

"'Dunkle Energie' ist nur eine technische Abkürzung für 'Wir haben keine Ahnung, was los ist'." "Dunkle Energie ist verwirrend, weil sich das Universum nicht nur ausdehnt - das wussten wir bereits -, sondern diese Ausdehnung beschleunigt sich auch, was sehr unerwartet ist, sagt Salman Habib, ein Physiker am Argonne National Laboratory und Hauptforscher für die Multi-Petaflop-Himmelsimulation in Argonne. "Die Ursache für diese Beschleunigung ist das, was die Leute" Dunkle Energie "nennen, aber das ist nur eine technische Abkürzung dafür, dass wir 'keine Ahnung haben, was los ist.' "

Diese Simulationen sollen etwas Licht in diese Expansion bringen, die überall um uns herum stattfindet. Genauso wichtig ist es jedoch, genau zu definieren, was nicht vor sich geht. Es gibt viele Theorien über dunkle Energie; Es könnte sich um ein neues Feld im Universum handeln, das wir noch nicht entdeckt haben, oder um ein Merkmal der Schwerkraft in großem Maßstab, das wir noch nicht verstanden haben. Es könnte eine Veränderung der allgemeinen Relativitätstheorie sein, an die wir nicht gedacht haben. Die neuesten hochauflösenden Himmelsdaten sollten es dem Argonne-Team ermöglichen, sehr subtile Auswirkungen der Dunklen Energie auf den Kosmos zu modellieren und so ein tieferes Verständnis der Natur der Dunklen Energie selbst zu ermöglichen. Dies wiederum sollte den Kosmologen helfen, mögliche Erklärungen - oder sogar ganze Erklärungsklassen - auszuschließen, wenn sie versuchen, eine perfektere Theorie für die Funktionsweise des Universums zu finden.

Wir nicht, weil wir nicht können. Wir können die Grenzen des Universums für diese Zwecke nicht wirklich definieren, und Computermodelle benötigen von Natur aus eine Reihe von Einschränkungen. Aber wir können immer größere Teile des Kosmos simulieren, dank regelmäßiger Sprünge in der Rechenleistung und immer besserer Himmelserhebungen, und aus diesen immer größeren und höher auflösenden Simulationen können wir Dinge über das größere Universum extrapolieren. Das ist wichtig.

Simulationen, wie sie auf Mira durchgeführt werden, wurden bereits früher durchgeführt, sagt Katrin Heitmann, eine weitere Forscherin des Argonne National Lab und Miterfinderin von Habib beim Mira-Simulationsprojekt. Jetzt müssen wir jedoch immer präziser vorgehen. "Die nächste Generation von Daten, die von den modernsten Himmelsvermessungsinstrumenten stammen, die Astronomen jemals erstellt haben - wie zum Beispiel die Dark Energy Camera, die erst letzten Monat das erste Licht erreichte - wird mehr Daten enthalten (die Milliarden von beobachteten Galaxien widerspiegeln). und weniger inhärente statistische Fehler. Während frühere Simulationen wie das schön artikulierte Millennium-Simulationsprojekt hervorragende Visualisierungen und Modelle der Verteilung von Materie im Kosmos lieferten, erfordern diese neuen und besseren Datensätze eine neue und bessere Rechenarchitektur, um mit ihnen umzugehen.

Wir können Architekturen erstellen, um mit diesen neuen Datensätzen fertig zu werden, was weitgehend dem Mooreschen Gesetz zu verdanken ist. Insgesamt verzehnfacht sich die Rechenleistung von Supercomputing etwa alle drei Jahre. Auf diese Weise können Hochleistungsrechenzentren wie Argonne Maschinen bauen (oder alte aufrüsten), die die Vorreiterrolle von vor ein oder zwei Jahren bei weitem übertreffen. Das 10-Petaflop-System (das sind zehn Billiarden Berechnungen pro Sekunde) ist ein Beispiel dafür, und Mira wird es Argonne ermöglichen, die größten Simulationen für dunkle Materie durchzuführen, die jemals durchgeführt wurden.

Optisch werden sie so aussehen:

"promo_image": {// s1.dmcdn.net/Tud29/x240-dBF.jpg headlines ": description": distributor ":

Diese Visualisierung stammt aus einigen vorläufigen Tests der neuen Computerarchitektur, die als HACC (Hardware / Hybrid Accelerated Cosmology Code - dazu später mehr) bekannt ist. Und was Sie sehen, ist im Wesentlichen ein 3-D-Block des Universums und die Art und Weise, wie Materie in ihm verteilt ist, gemäß den Daten, die aus verschiedenen Himmelsvermessungsquellen stammen.

"Was Sie sehen, ist das kosmische Netz, das Habib sagt." Sie können diese großen Hohlräume und diese Filamente und diese Klumpen deutlich sehen. Was Sie tatsächlich sehen, ist die Materiedichte. Die blobby Teile sind, wo die Dichte am höchsten ist, und dort sind die Galaxien. "Sie können die Galaxien hier nicht wirklich sehen - dies ist eher eine Darstellung als ein echtes optisches Modell. In den kleinsten Klumpen gibt es möglicherweise keine Galaxien In den mittelgroßen Klumpen können sich ein oder mehrere befinden. Die größten Klumpen repräsentieren Galaxienhaufen, in denen sich möglicherweise Tausende von Galaxien befinden.

Dies ist ein Standbild des Kosmos, wie wir es derzeit sehen, aber die Simulationen, die für Mira geplant sind, werden eher einen Film des Universums darstellen, der Milliarden von Jahren zurückreicht, als das Universum viel dichter war - wie millionenfach dichter - als es jetzt ist. Die Astronomen können diesen Film dann sehr detailliert ansehen, um zu sehen, wie sich das Universum im Laufe der Zeit entwickelt hat, und so die Rolle der Dunklen Materie und insbesondere der Dunklen Energie bei der Bildung unseres gegenwärtigen Universums beobachten. Und da es sich um ein Computermodell handelt, können sie mit den Parametern dieses virtuellen Universums herumspielen, um ihre Theorien zu testen. Hoffentlich wird Mira beweisen, dass einige Theorien noch bestehen. Zumindest sollten sich einige Theorien als unwahrscheinlich erweisen.

Zum einen die beispiellose Auflösung und Detailgenauigkeit, die wir oben ausführlich beschrieben haben. Für die Zukunft der Modellierung von Supercomputern ist jedoch auch die HACC-Architektur von großer Bedeutung. HACC wurde für dieses Projekt von Grund auf neu entwickelt und ist für Mira optimiert. Es wurde jedoch so konzipiert, dass es auch für andere Supercomputer - und andere Supercomputeranwendungen - optimiert werden kann - eine Seltenheit für diese Art von Software.

Warum? Jeder Supercomputer ist ein bisschen anders aufgebaut und hat seine eigenen Eigenheiten und Besonderheiten. Im Gegensatz zu Programmen, die zum Beispiel für Desktop-Computer geschrieben wurden, ist Software, die für Supercomputer geschrieben wurde, im Allgemeinen für den spezifischen Computer geschrieben, auf dem sie verwendet werden. Es funktioniert nicht optimal (oder überhaupt nicht), wenn es auf eine andere Maschine verlagert wird. Jedes Mal, wenn Supercomputer eine Generation nach vorne springen, muss ein laufendes Forschungsprojekt neue Software für eine neue Maschine schreiben. "Während eines Jahrzehnts der Codeentwicklung kann es sein, dass drei verschiedene Computerarchitekturen kommen und gehen", sagt Habib. "Das ist also die Magie von HACC."

HACC ist weniger magisch als intelligentes Design. Aufgrund seines modularen Aufbaus funktioniert ein Teil der zugrunde liegenden Software auf allen Maschinen gleich, sodass es viel einfacher ist, sie von einer Maschine (oder Maschinengeneration) auf eine andere zu portieren. Das andere Teil ist ein steckbares Softwaremodul, das für jede einzelne Maschine optimiert werden kann. Dies reduziert die Zeit, die Forscher für die Entwicklung neuer Codes aufwenden müssen, um ihre Forschung voranzutreiben, drastisch. Und wenn ein neuer Computer online geht, wie der brandneue 20-Petaflop-Titan von Oak Ridge National Labs, ist es für Forscher relativ einfach, schnell einen Sprung in die Rechenleistung für ihre Forschung zu machen.

Aufgrund seiner anpassbaren und optimierbaren Eigenschaften kann HACC auch auf viele Forschungsprojekte angewendet werden, und nicht nur auf diejenigen, für die es ursprünglich entwickelt wurde. Und die Macher wollen, dass HACC gehackt wird. "Wir sind ein kleines Team, daher können wir nicht alle wissenschaftlichen Fähigkeiten dieses Codes selbst ausnutzen, und wir möchten auch nicht, dass Habib von HACC sagt." Es ist eine Art Code, den andere Teams schreiben müssen, nicht nur für die Kosmologie, aber für andere Anwendungen. "Habib, Heitmann und ihre Kollegen sehen HACC als Gemeinschaftsressource - nicht nur in dem Sinne, dass sie planen, ihre kosmologischen Ergebnisse frei mit der wissenschaftlichen Gemeinschaft zu teilen, sondern auch in dem Sinne, dass die Die Software selbst kann möglicherweise geändert und an eine beliebige Anzahl von Modellierungsanwendungen in anderen Bereichen angepasst werden.

Nein, oder zumindest ist die Möglichkeit sehr, sehr abgelegen. Aber es wird einige existierende Theorien beeinflussen, andere auf den Müllhaufen schicken und ansonsten die gegenwärtige Denkrichtung und zukünftige Fragestellungen auf diese mysteriösen Kräfte konzentrieren. Und diese Simulationen werden den Forschern helfen, ihre Werkzeuge weiter zu verfeinern, um die anhaltende Explosion der Supercomputerkraft in sinnvolle wissenschaftliche Gewinne umzuwandeln. Wenn Mira in den kommenden Monaten das Geheimnis der dunklen Energie lüftet, werden wir überrascht sein. Wir werden gleichermaßen überrascht sein, wenn dies den Bereich der theoretischen Kosmologie nicht merklich vorantreibt. Und wenn HACC nicht dazu beiträgt, das Tempo der Supercomputer-Wissenschaft insgesamt zu beschleunigen, wären wir gleichermaßen fassungslos.

Korrektur: In einer früheren Version dieser Geschichte wurde fälschlicherweise angegeben, dass Salman Habib und Katrin Heitmann Forscher am Los Alamos National Laboratory sind. Sie sind derzeit im Argonne National Laboratory beschäftigt. Die Geschichte wurde geändert, um dies widerzuspiegeln.

Treffen Sie Farout, das neue entfernte Mitglied unseres Sonnensystems

Treffen Sie Farout, das neue entfernte Mitglied unseres Sonnensystems

Sieben Tipps zum Aufnehmen von Naturfotos mit Ihrer Smartphone-Kamera

Sieben Tipps zum Aufnehmen von Naturfotos mit Ihrer Smartphone-Kamera

Traktionshelden: 4 Reifen für besseren Grip zu jeder Jahreszeit

Traktionshelden: 4 Reifen für besseren Grip zu jeder Jahreszeit