Ученые воссоздали Вселенную в цифре: что показала симуляция на самом мощном суперкомпьютере?

Когда-то наблюдение за звёздами было уделом одиночек-астрономов, вооружённых телескопами и терпением. Сегодня же к ним присоединились суперкомпьютеры, способные воссоздавать целые эпохи развития Вселенной в цифровом формате. Недавний прорыв в этой области, осуществлённый на суперкомпьютере Frontier, открывает новую главу в космологии, позволяя нам не просто наблюдать, но и экспериментировать с мирозданием.

От гравитации к «кухонному набору» Вселенной

Долгое время компьютерное моделирование космоса ограничивалось упрощёнными моделями, где главным действующим лицом была гравитация. Это было оправдано: гравитация — фундаментальная сила, формирующая крупномасштабную структуру Вселенной. Однако, такой подход оставлял за бортом множество важных процессов. Представьте себе, что вы пытаетесь понять работу двигателя внутреннего сгорания, игнорируя всё, кроме движения поршней. Вы получите общее представление, но упустите ключевые детали.

В связи с этим, группа исследователей из Аргоннской национальной лаборатории, возглавляемая Салманом Хабибом, задалась целью создать всеобъемлющую модель Вселенной. Их амбициозный проект выходит за рамки упрощённых симуляций, ограничивающихся гравитационными взаимодействиями. Учёные стремятся воссоздать в цифровом формате всю сложность астрофизических процессов, включая не только гравитацию, но и взаимодействие видимой и тёмной материи, поведение разогретого газа, а также рождение и эволюцию звёзд, чёрных дыр и галактических структур. Этот метод, именуемый космологическим гидродинамическим моделированием, предъявляет чрезвычайно высокие требования к вычислительной мощности.

HACC: код, который увидел экзафлопсы

Ключом к успеху стал код HACC (Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code). Этот программный монстр, разработанный более десяти лет назад, прошёл долгий путь эволюции. Разработанный в свое время для машин петафлопсного уровня производительности, код HACC претерпел существенную трансформацию. Модернизация, осуществленная в ходе проекта ExaSky, позволила адаптировать его к возможностям экзафлопсных суперкомпьютеров, открыв тем самым доступ к решению задач невиданной ранее сложности.

Экзафлопсные суперкомпьютеры — это настоящие титаны вычислительного мира, способные выполнять более квинтиллиона операций в секунду. Это открывает совершенно новые возможности для науки, позволяя решать задачи, которые раньше считались неразрешимыми. HACC, адаптированный к работе на таких системах, превзошёл все ожидания. Производительность HACC на суперкомпьютере Frontier превзошла показатели предыдущих систем почти в 300 раз.

Frontier: окно в прошлое и будущее Вселенной

Вычислительные мощности суперкомпьютера Frontier, размещённого в Ок-Риджской национальной лаборатории, предоставили беспрецедентные возможности для реализации самой амбициозной космологической симуляции на сегодняшний день. Благодаря задействованию порядка девяти тысяч вычислительных узлов, оборудованных высокопроизводительными графическими ускорителями, HACC позволил реконструировать ключевые этапы развития Вселенной, охватывающие миллиарды лет космической истории.

Размер смоделированной области сопоставим с масштабами наблюдений, которые проводят крупнейшие телескопические обсерватории, такие как Обсерватория Рубина в Чили. Это означает, что мы теперь можем не только сравнивать теоретические модели с реальными данными, но и проверять их на соответствие действительности.

Больше, чем просто цифры: значение новой эры моделирования

Результаты, полученные на Frontier, — это не просто рекорд в области вычислительной мощности. Это открытие новой эры в космологии, эры, когда мы можем использовать компьютеры как машины времени, позволяющие нам заглянуть в далёкое прошлое Вселенной и предсказать её будущее.

Космологические гидродинамические симуляции позволяют нам исследовать процессы, которые невозможно наблюдать напрямую. Они помогают нам понять, как формировались первые галактики, как тёмная материя влияет на эволюцию Вселенной, и какие физические законы лежат в основе этих процессов.

Работа команды Хабиба — это пример того, как передовые вычислительные технологии могут расширить границы нашего понимания Вселенной. Это только начало большого пути, на котором нас ждут новые открытия и более глубокое понимание того, как устроен мир, в котором мы живём.