Новости

Суперкомпьютер создал самую масштабную симуляцию Вселенной. Посмотрите, как она выглядит

В Аргоннской национальной лаборатории ученые с помощью суперкомпьютера Frontier создали симуляцию Вселенной. Она охватывает 10 млрд световых лет и включает в себя сложные физические модели. Это достижение позволяет по-новому взглянуть на формирование галактик и космическую эволюцию, демонстрируя широкие возможности экзафлопсных вычислений.

Ученые Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики достигли новаторского результата, создав крупнейшее на сегодняшний день астрофизическое моделирование Вселенной. Эта симуляция стала возможной благодаря суперкомпьютеру Frontier, который недавно стал самым мощным в мире. Его масштабы отражают обширные исследования, проводимые современными телескопами и обсерваториями, и позволяют получить беспрецедентное представление о космосе.

В настоящее время Frontier, расположенный в Национальной лаборатории Оук-Ридж в Теннесси, является вторым по быстродействию суперкомпьютером в мире, его опережает только El Capitan. Примечательно, что Frontier — первый в мире экзафлопсный суперкомпьютер, и теперь он разделяет это звание с El Capitan, оба представляют собой передовой край вычислительной мощности.

Это моделирование демонстрирует огромные возможности экзафлопсных вычислений. Мощность Frontier позволяет проводить симуляции с недостижимым ранее уровнем точности, что дает ученым возможность моделировать Вселенную с необычайной детализацией.

Однако использование всего потенциала экзафлопсной технологии требует инновационных подходов к программированию, отражая сложность нового поколения вычислительных рубежей.

Frontier — это значительный скачок в астрофизическом моделировании. Он охватывает объем Вселенной в 10 млрд световых лет, а также включает в себя подробные физические модели для темной материи, темной энергии, газовой динамики, звездообразования и роста черных дыр. Она должна дать новое представление о некоторых фундаментальных процессах во Вселенной, таких как формирование галактик и эволюция крупномасштабной структуры Вселенной.

«Во Вселенной есть два компонента: темная материя, которая, насколько нам известно, взаимодействует только гравитационно, и обычная материя, или атомарная материя», — говорит руководитель проекта Салман Хабиб, директор отдела вычислительных наук в Аргонне.

«Поэтому, если мы хотим узнать, чем живет Вселенная, нам нужно смоделировать обе эти вещи: гравитацию, а также всю остальную физику, включая горячий газ, образование звезд, черных дыр и галактик, — добавляет он. Так сказать, астрофизическая кухонная раковина. Эти симуляции мы называем симуляциями космологической гидродинамики».

Моделирование космологической гидродинамики объединяет космологию и гидродинамику и позволяет астрономам изучить сложные взаимосвязи между гравитацией и такими явлениями, как газодинамика и звездные процессы, которые сформировали и продолжают формировать Вселенную. Их можно проводить только с помощью суперкомпьютеров из-за уровня сложности и огромного количества численных уравнений и вычислений.

Количество энергии, необходимое Frontier для проведения этих симуляций, около 21 МВт электроэнергии. Этого достаточно для питания примерно 15 тыс. односемейных домов в США.

«Например, если мы смоделируем большой кусок Вселенной, наблюдаемый одним из крупных телескопов, таким как обсерватория „Рубин“ в Чили, то мы увидим огромные отрезки времени — миллиарды лет расширения, — говорит Хабиб. — До недавнего времени мы даже не могли себе представить, что сможем провести такое масштабное моделирование, разве что в гравитационном приближении».

Директор по науке Oak Ridge Leadership Computing Facility Бронсон Мессер говорит, что дело не только в огромном размере физической области, которая необходима для прямого сравнения с современными наблюдениями, что стало возможным благодаря экзафлопсным вычислениям. По его словам, дополнительный физический реализм, связанный с включением барионов и всей остальной динамической физики, делает это моделирование настоящим достижением Frontier.

Frontier моделирует не только Вселенную. В июне исследователи, работающие с ним, достигли еще одной вехи. Они смоделировали систему из 466 млрд атомов в симуляторе воды. Это самая большая система из когда-либо смоделированных и более чем в 400 раз больше, чем у ближайшего конкурента. Поскольку вода является основным компонентом клеток, Frontier прокладывает путь к возможному моделированию живой клетки.

Frontier обещает добиться успехов и во многих других областях, включая деление и синтез ядер и крупномасштабные системы передачи энергии. Кроме того, с его помощью было создано квантовое моделирование молекулярной динамики, которое по размеру и скорости в 1 тыс. раз превосходит всех своих предшественников.

Он также находит применение в моделировании заболеваний, разработке новых лекарств, более совершенных батарей, более совершенных материалов, включая бетон, а также в прогнозировании и смягчении последствий изменения климата.

Вселенная практически не изучена. Но ранее стало известно, что принесло свет в темную и бесформенную пустоту ранней Вселенной. Согласно данным космических телескопов «Хаббл» и «Джеймс Уэбб», источником свободно летящих фотонов на заре космоса стали небольшие карликовые галактики. Они вспыхнули и ожили, рассеяв туман мутного водорода, который заполнил межгалактическое пространство.