Hoje, os maiores mistérios que os astrônomos e cosmologistas enfrentam são os papéis que a atração gravitacional e a expansão cósmica desempenham na evolução do Universo.
Para resolver esses mistérios, astrônomos e cosmologistas estão adotando uma abordagem dupla. Estes consistem em observar diretamente o cosmos para observar essas forças em ação enquanto tentam encontrar resoluções teóricas para comportamentos observados – como matéria escura e energia escura.
Entre essas duas abordagens, os cientistas modelam a evolução cósmica com simulações de computador para ver se as observações se alinham com as previsões teóricas. O mais recente deles é o AbacusSummit, um conjunto de simulação criado pelo Centro de Astrofísica Computacional (CCA) do Instituto Flatiron e pelo Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica (CfA).
Capaz de processar cerca de 60 trilhões de partículas, esta suíte é a maior simulação cosmológica já produzida.
Os criadores do AbacusSummit anunciaram a suíte de simulação em uma série de artigos publicados nos Avisos Mensais da Royal Astronomical Society (MNRAS).
Composto por mais de 160 simulações, ele modela como as partículas se comportam em um ambiente em forma de caixa devido à atração gravitacional. Esses modelos são conhecidos como simulações de N-body e são intrínsecos à modelagem de como a matéria escura interage com a matéria bariônica (também conhecida como “visível”).
O desenvolvimento da suíte de simulação AbacusSummit foi liderado por Lehman Garrison (um bolseiro de pesquisa CCA) e Nina Maksimova e Daniel Eisenstein, um estudante graduado e professor de astronomia com o CfA (respectivamente).
As simulações foram executadas no supercomputador Summit no Oak Ridge Leadership Computing Facility (ORLCF) no Tennessee – supervisionado pelo Departamento de Energia dos EUA (DoE).
Os cálculos de N-corpos, que consistem em computar a interação gravitacional de planetas e outros objetos, estão entre os maiores desafios que os astrofísicos enfrentam hoje.
Parte do que o torna assustador é que cada objeto interage com todos os outros objetos, independentemente de quão distantes eles estejam – quanto mais objetos em estudo, mais interações precisam ser contabilizadas.
Até o momento, ainda não há solução para os problemas de N-corpos em que três ou mais corpos massivos estão envolvidos, e os cálculos disponíveis são meras aproximações. Por exemplo, a matemática para calcular a interação de três corpos, como um sistema estelar binário e um planeta (conhecido como o “Problema dos Três Corpos”), ainda não foi resolvida.
Uma abordagem comum com simulações cosmológicas é parar o relógio, calcular a força total que atua sobre cada objeto, avançar lentamente o tempo e repetir.
Para o bem de sua pesquisa (que foi liderada por Maksimova), a equipe projetou sua base de código (chamada Abacus) para tirar proveito do poder de processamento paralelo da Summit – por meio do qual vários cálculos podem ser executados simultaneamente.
Eles também contaram com algoritmos de aprendizado de máquina e um novo método numérico, que lhes permitiu calcular 70 milhões de partículas por nó / s nos primeiros tempos e 45 milhões de atualizações de partículas por nó / s nos últimos tempos.
Como Garrison explicou em um comunicado à imprensa recente do CCA:
“Esta suíte é tão grande que provavelmente tem mais partículas do que todas as outras simulações de N-body que já foram executadas combinadas – embora seja uma afirmação difícil de ter certeza. Os levantamentos de galáxias estão entregando mapas tremendamente detalhados do Universo, e precisamos de simulações igualmente ambiciosas que cobrem uma ampla gama de universos possíveis em que podemos viver.
“AbacusSummit é o primeiro conjunto de simulações que tem a amplitude e fidelidade para comparar com essas observações incríveis … Nossa visão era criar este código para entregar as simulações que são necessárias para esta nova marca particular de pesquisa de galáxias. Escrevemos o código para faça as simulações com muito mais rapidez e precisão do que nunca. ”
Além dos desafios usuais, a execução de simulações completas de cálculos de N-corpos exige que os algoritmos sejam projetados com cuidado devido a todo o armazenamento de memória envolvido.
Isso significa que o Abacus não podia fazer cópias da simulação para diferentes nós do supercomputador para trabalhar e, em vez disso, dividiu cada simulação em uma grade. Isso consiste em fazer cálculos aproximados para partículas distantes, que desempenham um papel menor do que as próximas.
Em seguida, ele divide as partículas próximas em várias células para que o computador possa trabalhar em cada uma delas independentemente e, em seguida, combina os resultados de cada uma com a aproximação de partículas distantes.
A equipe de pesquisa descobriu que esta abordagem (divisões uniformes) faz melhor uso do processamento paralelo e permite que uma grande quantidade de aproximação de partículas distantes seja calculada antes do início da simulação.
Esta é uma melhoria significativa para outras bases de código de N-body, que dividem irregularmente as simulações com base na distribuição de partículas.
Graças ao seu design, o Abacus pode atualizar 70 milhões de partículas por nó / segundo (onde cada partícula representa um aglomerado de matéria escura com três bilhões de massas solares). Ele também pode analisar a simulação enquanto ela está sendo executada e procurar por manchas de matéria escura que indicam a presença de galáxias formadoras de estrelas brilhantes.
Esses e outros objetos cosmológicos serão objeto de pesquisas futuras que mapeiam o cosmos com detalhes sem precedentes. Estes incluem o Instrumento Espectroscópico de Energia Escura (DESI), o Telescópio Espacial Romano Nancy Grace (RST) e a espaçonave Euclides da ESA.
Um dos objetivos dessas missões de grande orçamento é melhorar as estimativas dos parâmetros cósmicos e astrofísicos que determinam como o Universo se comporta e sua aparência.
Isso, por sua vez, permitirá simulações mais detalhadas que empregam valores atualizados para vários parâmetros, como a energia escura.
Daniel J. Eisenstein, pesquisador do CfA e co-autor do artigo, também é membro da colaboração DESI. Ele e outros como ele estão ansiosos para saber o que o Abacus pode fazer por essas pesquisas cosmológicas nos próximos anos.
“A cosmologia está avançando devido à fusão multidisciplinar de observações espetaculares e computação de última geração”, disse ele.
“A próxima década promete ser uma época maravilhosa em nosso estudo da extensão histórica do Universo.”
Publicado em 22/11/2021 09h07
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