Los astrofísicos revelan el mayor conjunto de simulaciones del universo: cómo la gravedad dio forma a la distribución de la materia oscura

Para comprender cómo se formó el universo, los astrónomos crearon el AbacusSummit, más de 160 simulaciones de cómo la gravedad podría haber dado forma a la distribución de la materia oscura.

Alcanzando colectivamente alrededor de 60 billones de partículas, un nuevo conjunto de simulaciones cosmológicas es, con mucho, el más grande jamás producido.

La suite de simulación, denominada AbacusSummit, será fundamental para extraer secretos del universo de las próximas investigaciones del cosmos, predicen sus creadores. Incluyen AbacusSummit en varios artículos publicados recientemente en Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society.

AbacusSummit es producto de investigadores del Centro de Astrofísica Computacional (CCA) del Instituto Flatiron en la ciudad de Nueva York y del Centro de Astrofísica | Harvard y Smithsonian. Compuesto por más de 160 simulaciones, modela cómo se mueven las partículas del universo debido a su atracción gravitacional. Estos modelos, conocidos como simulaciones de N-body, capturan el comportamiento de la materia oscura, una fuerza misteriosa e invisible que constituye el 27 por ciento del universo e interactúa solo a través de la gravedad.

El paquete AbacusSummit comprende cientos de simulaciones de cómo la gravedad ha dado forma a la distribución de la materia oscura en el universo. Aquí, se muestra una instantánea de una de las simulaciones a una escala de zoom de 1.200 millones de años luz de diámetro. La simulación replica las estructuras a gran escala de nuestro universo, como la red cósmica y los cúmulos colosales de galaxias. Crédito: Equipo AbacusSummit; maquetación y diseño de Lucy Reading-Ikkanda

«Esta suite es tan grande que probablemente tenga más partículas que todas las demás simulaciones de N-cuerpos que se hayan realizado combinadas, aunque es una afirmación difícil», dice Lehman Garrison, autor principal de uno de los nuevos artículos y un becario de investigación CCA.

Garrison dirigió el desarrollo de las simulaciones de AbacusSummit junto con la estudiante graduada Nina Maksimova y el profesor de astronomía Daniel Eisenstein, ambos en el Centro de Astrofísica. Las simulaciones se llevaron a cabo en la Cumbre de supercomputadoras del Departamento de Energía de EE. UU. En las instalaciones de computación de liderazgo de Oak Ridge en Tennessee.

Varios estudios espaciales producirán mapas del cosmos con un detalle sin precedentes en los próximos años. Estos incluyen el Instrumento espectroscópico de energía oscura (DESI), el Telescopio Espacial Romano Nancy Grace, el Observatorio Vera C. Rubin y la nave espacial Euclid. Uno de los objetivos de estas misiones de gran presupuesto es mejorar las estimaciones de los parámetros cósmicos y astrofísicos que determinan cómo se comporta y se ve el universo.

Los científicos harán estas estimaciones mejoradas comparando las nuevas observaciones con simulaciones por computadora del universo con diferentes valores para varios parámetros, como la naturaleza de la energía oscura que separa el universo.

Abacus aprovecha el procesamiento informático paralelo para acelerar drásticamente sus cálculos de cómo se mueven las partículas debido a su atracción gravitacional. Un enfoque de procesamiento secuencial (superior) calcula la fuerza gravitacional entre cada par de partículas, una por una. En cambio, el procesamiento paralelo (inferior) divide el trabajo en múltiples núcleos informáticos, lo que permite el cálculo de múltiples interacciones de partículas simultáneamente. Crédito: Lucy Reading-Ikkanda / Fundación Simons

«La próxima generación de investigación cosmológica mapeará el universo con gran detalle y explorará una amplia gama de cuestiones cosmológicas», dice Eisenstein, coautor de los nuevos artículos de MNRAS. “Pero aprovechar esta oportunidad requiere una nueva generación de ambiciosas simulaciones numéricas. Creemos que AbacusSummit será un paso audaz hacia la sinergia entre la computación y la experimentación. «

El proyecto de una década fue abrumador. Los cálculos de N-cuerpos, que intentan calcular los movimientos de objetos como planetas que interactúan gravitacionalmente, han sido uno de los mayores desafíos en el campo de la física desde los días de Isaac Newton. La dificultad proviene de que cada objeto interactúa con todos los demás, sin importar la distancia. Esto significa que a medida que agrega más cosas, la cantidad de interacciones aumenta rápidamente.

No existe una solución general al problema de N-cuerpos para tres o más cuerpos masivos. Los cálculos disponibles son simplemente aproximaciones. Un enfoque común es congelar el tiempo, calcular la fuerza total que actúa sobre cada objeto y luego empujar cada uno en función de la fuerza neta que experimenta. Luego, el tiempo avanza ligeramente y el proceso se repite.

Con este enfoque, AbacusSummit manipuló cantidades colosales de partículas gracias al código inteligente, un nuevo método numérico y mucha potencia de cálculo. La supercomputadora Summit era la más rápida del mundo en el momento en que el equipo hizo los cálculos; sigue siendo la computadora más rápida de EE. UU.

El equipo diseñó la base de código para AbacusSummit, llamada Abacus, para aprovechar al máximo la potencia de procesamiento paralelo de Summit, mediante el cual se pueden realizar múltiples cálculos simultáneamente. En particular, Summit tiene muchas unidades de procesamiento de gráficos, o GPU, que se destacan en el procesamiento paralelo.

La realización de cálculos de N cuerpos utilizando procesamiento paralelo requiere un diseño de algoritmo cuidadoso porque una simulación completa requiere una cantidad sustancial de memoria para almacenar. Esto significa que Abacus no puede simplemente hacer copias de la simulación para trabajar con diferentes nodos de supercomputadoras. En cambio, el código divide cada simulación en una cuadrícula. Un cálculo inicial da una buena aproximación de los efectos de las partículas distantes en cualquier punto de la simulación (que juegan un papel mucho menor que las partículas cercanas). Abacus luego agrupa las células cercanas y las divide para que la computadora pueda trabajar en cada grupo de forma independiente, combinando la aproximación de partículas distantes con cálculos precisos de partículas cercanas.

“El algoritmo Abacus encaja bien con las capacidades de las supercomputadoras modernas, ya que proporciona un patrón de computación muy regular para el paralelismo masivo de los coprocesadores de la GPU”, dice Maksimova.

Gracias a su diseño, el Abacus logró velocidades muy altas, actualizando 70 millones de partículas por segundo por nodo de la supercomputadora Summit, al tiempo que realizaba análisis de las simulaciones mientras se ejecutaban. Cada partícula representa un grupo de materia oscura 3 mil millones de veces la masa del sol.

“Nuestra visión era crear este código para proporcionar las simulaciones necesarias para esta nueva marca específica de investigación de galaxias”, dice Garrison. «Escribimos el código para ejecutar las simulaciones mucho más rápido y con mayor precisión que nunca».

Eisenstein, que es miembro de la colaboración DESI, que recientemente comenzó su investigación para mapear una fracción sin precedentes del universo, dice que espera usar Abacus en el futuro.

“La cosmología está avanzando debido a la fusión multidisciplinaria de observaciones espectaculares y computación de vanguardia”, dice. «La próxima década promete ser una época maravillosa en nuestro estudio de la extensión histórica del universo».

Referencia: «AbacusSummit: un conjunto masivo deprecisión, simulaciones de N-body de alta resolución ”por Nina A Maksimova, Lehman H Garrison, Daniel J Eisenstein, Boryana Hadzhiyska, Sownak Bose y Thomas P Satterthwaite, 7 de septiembre de 2021, M.Avisos de Onthly de la Royal Astronomical Society.
DOI: 10,1093 / mnras / stab2484

Otros co-creadores de Abacus y AbacusSummit incluyen a Sihan Yuan de la Universidad de Stanford, Philip Pinto de la Universidad de Arizona, Sownak Bose de la Universidad de Durham en Inglaterra e investigadores del Centro de Astrofísica Boryana Hadzhiyska, Thomas Satterthwaite y Douglas Ferrer. Las simulaciones se realizaron en la supercomputadora Summit bajo una asignación del Advanced Scientific Computing Research Leadership Computing Challenge.