天体物理学家揭示了有史以来最大的宇宙模拟——重力如何塑造暗物质的分布

为了了解宇宙是如何形成的，天文学家 AbacusSummit 已经创建了 160 多个关于重力如何塑造暗物质分布的模拟。

新发布的宇宙模拟阵列是有史以来最大的，总共记录了近 60 万亿个粒子。

其创建者预计，名为 AbacusSummit 的模拟集将有助于从即将到来的宇宙调查中提取宇宙的秘密。 他们在最近发表的几篇研究论文中介绍了 AbacusSummit 英国皇家天文学会月刊.

AbacusSummit 是纽约市熨斗研究所 (CCA) 计算天体物理学中心 (CCA) 和天体物理学中心的研究人员的产物。 哈佛和史密森尼。 它由 160 多个模拟组成，描绘了宇宙中的粒子如何因重力而移动。 这些被称为 N 体模拟的模型捕捉了暗物质的行为，暗物质是一种神秘且不可见的力量，占宇宙的 27%，仅通过重力相互作用。

AbacusSummit 的收藏包括数百个关于重力如何塑造整个宇宙暗物质分布的模拟。 在这里，其中一个模拟的快照以 12 亿光年的放大倍数显示。 模拟复制了我们宇宙的大规模结构，例如宇宙网和巨大的星系团。 图片来源：AbacusSummit 团队； Lucy Reading-Ikanda 的规划和设计

其中一篇新论文的主要作者、CCA 研究员雷曼加里森说。

Garrison 与研究生 Nina Maksimova 和天文学教授 Daniel Eisenstein 一起领导了台面模拟的开发，他们两人都在天体物理学中心工作。 模拟是在田纳西州橡树岭领导计算设施的美国能源部超级计算机上进行的。

许多太空调查将在未来几年以前所未有的细节绘制宇宙地图。 这些暗能量光谱设备包括（德西)、罗马南希格雷斯太空望远镜、维拉海罗宾天文台和欧几里得宇宙飞船。 这些大预算任务的目标之一是改进对决定宇宙行为和外观的宇宙学和天体物理学参数的估计。

科学家们将通过将新观测结果与计算机模拟的宇宙进行比较，对不同参数具有不同的值——例如分隔宇宙的暗能量的性质，做出这些改进的估计。

计数器利用并行计算机处理来大大加快粒子如何因重力而移动的计算。 顺序处理方法（顶部）逐个计算每对粒子之间的吸引力。 并行处理（在底部）而是将工作拆分到多个计算核心，允许同时计算多个粒子相互作用。 图片来源：Lucy Reading-Ikkanda 基金会/Simons

“下一代宇宙学调查将非常详细地绘制宇宙图并探索广泛的宇宙学问题，”新 MNRAS 论文的合著者爱森斯坦说。 但要利用这个机会需要新一代雄心勃勃的数值模拟。 我们相信 AbacusSummit 将是帐户和体验之间协同作用的大胆一步。 ”

这个长达十年的项目是一项艰巨的任务。 自艾萨克·牛顿 (Isaac Newton) 时代以来，N 体计算 – 试图计算与重力相互作用的物体（例如行星）的运动 – 一直是物理学领域的第一大挑战。 诀窍来自每个对象与其他每个对象的交互，而不管其距离如何。 这意味着随着您添加更多内容，交互次数会迅速增加。

对于三个或更多大质量物体的 N 体问题，没有通用的解决方案。 可用的计算只是粗略的估计。 一种常用的方法是冻结时间，计算作用在每个物体上的总力，然后根据它所受的总力推动每个元素。 然后时间向前移动一点，重复这个过程。

借助这种方法，AbacusSummit 凭借巧妙的代码、新的数值方法和强大的计算能力处理了大量粒子。 在团队进行计算时，Summit 超级计算机是世界上最快的； 仍然是美国最快的计算机

该团队为 Summit AbacusSummit 设计了代码库 – 称为 Abacus – 以充分利用 Summit 的并行处理能力，其中可以同时执行许多计算。 特别值得一提的是，Summit 拥有多个擅长并行处理的 GPU。

使用并行处理运行 N 体计算需要仔细的算法设计，因为整个模拟需要大量内存进行存储。 这意味着计数器不仅可以为超级计算机的不同节点制作模拟副本以进行工作。 相反，代码将每个模拟分解为一个网格。 初始计算提供了模拟中任何给定点的远处粒子效应的近似值（其作用比附近粒子小得多）。 然后计数器对附近的细胞进行分组和分离，以便计算机可以独立地处理每一组，将远处粒子的近似值与附近粒子的准确计算相结合。

“计数器算法非常适合现代超级计算机的功能，为共享 GPU 的大规模并行提供非常规则的计算模式，”Maximova 说。

由于其设计，计数器实现了非常高的速度，Summit 超级计算机的每个节点每秒刷新 7000 万个粒子，同时在模拟运行时进行分析。 每个粒子代表质量是太阳质量 30 亿倍的暗物质。

Garrison 说：“我们的愿景是创建此代码，以提供这种全新的特定星系调查所需的模拟。” “我们编写了代码，使模拟比以往任何时候都更快、更准确。”

爱森斯坦是 DESI 合作组织的成员——该合作组织最近开始调查以绘制宇宙中前所未有的部分——他说他渴望在未来使用计数器。

“由于惊人的观察和现代计算的跨学科融合，宇宙学正在向前飞跃，”他说。 “接下来的十年有望成为我们研究宇宙历史风貌的迷人时代。”

参考资料：《算盘顶：海量藏书》健康，高分辨率 N 体模拟”，作者：Nina A. Maksimova、Lyman H. Garrison、Daniel J. Eisenstein、Boriana Hadziska、Sunak Bose 和 Thomas P. Satterthwaite，2021 年 9 月 7 日，米皇家天文学会的定期通知.
DOI：10.1093/mnras/stab2484

Abacus Summit 和 Abacus 的其他合著者包括斯坦福大学的 Sihan Yuan、亚利桑那大学的 Philip Pinto、英国杜伦大学的 Sunak Boss 和天体物理学研究中心 Boriana Hadjiska、Thomas Satterthwaite 和 Douglas Ferrer。 根据科学计算研究的高级计算挑战任务，模拟在 Summit 超级计算机上运行。