Naukowcy prezentują najdokładniejszą jak dotąd symulację Wszechświata

Naukowcy prezentują najdokładniejszą jak dotąd symulację WszechświataOriginal Press Release
Symulacja superkomputerowa Bolshoi, najdokładniejsza i najbardziej szczegółowa ogromna symulacja kosmologiczna jaka do tej pory została przeprowadzona, daje fizykom i astronomom nowe, potężne narzędzie do lepszego zrozumienia takich kosmicznych tajemnic, jak powstanie galaktyk, ciemnej materii i ciemnej energii.

W pewnym sensie można pomyśleć, że wstępne wyniki są trochę nudne, bo w zasadzie pokazują, że nasze standardowy model kosmologiczny działa. Ekscytujący jest fakt, że mamy teraz tę bardzo dokładną symulację, która stanowić będzie podstawę dla wielu nowych, ważnych badań w kolejnych miesiącach i latach.

prof. Joel Primack,
University of California, Santa Cruz

Prof. Joel Primack wraz z profesorem astronomii Uniwersytetu Stanowego Nowego Meksyku Anatolijem Klypinem kierowali zespołem, który stworzył symulację. Klypin stworzył algorytm symulacji, który został uruchomiony na superkomputerze Pleiades w NASA Ames Research Center. „Wielkie kosmologiczne symulacje są istotne dla interpretacji wyników prowadzonych obserwacji astronomicznych i planowania nowych, szeroko zakrojonych badań Wszechświata, mających pomóc określić charakter tajemniczej ciemnej energii „- mówi Klypin.

Primack, który kieruje University of California High-Performance Center Astrocomputing (UC-HIPACC) wyjaśnia, że w pierwsze dane symulacji zostały udostępnione na początku września. „Opublikowaliśmy dużo danych tak, by inni astrofizycy mogli zacząć je wykorzystywać. Poi co to mniej niż jeden procent uzyskanych wyników, bowiem kompletny zbiór uzyskanych danych jest ogromny. W przyszłości planujemy udostępnienie dalszej części uzyskanych wyników.”

Poprzednia – stanowiąca aż do tej pory najważniejszą wielkoskalową symulację kosmologiczną – symulacja znana jako Millennium Run, dostarczyła danych na podstawie których od 2005 roku opublikowano około 400 artykułów. Jednak obecnie wiadomo, że podstawowe parametry zastosowane jako początkowe dla Millennium Run nie były poprawne. Wyprodukowana przez konsorcjum naukowców Virgo symulacja Millennium użyła parametrów kosmologicznych bazujących na pierwszym wydaniu danych z sondy NASA Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP)). WMAP dostarczył szczegółową mapę subtelnych różnic w kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła, poświacie pozostałej po Wielkim Wybuchu. Jednak wstępne parametry WMAP1 zostały zastąpione przez kolejne wydania: WMAP5 (pięcioletnie wyniki opublikowane w 2008) i WMAP7 (siedmioletnie wyniki opublikowane w 2010).

Symulacja Bolshoi została oparta na parametrach WMAP5, które zostały później potwierdzone przez WMAP7. „Obecnie wiadomo, że parametry kosmologiczne WMAP1, na których opiera się symulacja Millennium Run są błędne „- mówi Primack. -„Dodatkowo, postęp w technologii superkomputerów pozwolił nam na stworzenie o wiele lepszej symulacji z rozdzielczości wyższą o prawie rząd wielkości. Dlatego spodziewam się, że nasza symulacja będzie miała ogromny wpływ na badania teoretyczne.”

Wizualizacja symulacji Bolshoi z UC-HPACC on Vimeo

Standardowe teoria wyjaśniająca, jak Wszechświat ewoluował po Wielkim Wybuchu jest znana jako model Lambda Zimnej Ciemnej Materii i to on stanowił teoretyczną podstawą do symulacji Bolshoi. Zgodnie z tym modelem, grawitacja działała początkowo na niewielkie fluktuacje gęstości obecne wkrótce po Wielkim Wybuchu przyciągając ku sobie pierwsze skupiska ciemnej materii. Te rosły tworząc coraz większe skupiska poprzez hierarchiczne łączenie się mniejszych przodków. Chociaż natura ciemnej materii pozostaje tajemnicą, to wszystkie obecnie dostępne dane obserwacyjne wskazują że stanowi ona około 82 procent materii we Wszechświecie. Dlatego też uważa się, że ewolucja struktury Wszechświata była napędzana przez oddziaływania grawitacyjne ciemnej materii. Zwykła materia, z której zbudowane są gwiazdy i planety, wpadała w grawitacyjne studnie, stworzone przez skupiska ciemnej materii, dając początek galaktykom leżących w centralnych regionach halo ciemnej materii.

Zasadniczym celem symulacji Bolshoi było obliczenie i stworzenie modelu ewolucji otoczek ciemnej halo. Charakterystyka owych otoczek i ich wewnętrznej struktury uzyskane w symulacji Bolshoi zostały prezentowane w artykule przyjętym do publikacji w Astrophysical Journal.  Jego autorami są Klypin oraz Sebastian Trujillo-Gomez i Primack. Kolejny artykuł, również przyjęty do publikacji w Astrophysical Journal, prezentuje bogactwo i właściwości galaktyk uzyskanych w wyniku symulacji ciemnej materii modelu Bolshoi. Autorami są Klypin, Trujillo-Gomez, Primack oraz Aaron Romanowsky. Jak podkreśla Primack porównanie prognoz Bolshoi z obserwacjami galaktyk cyfrowego przeglądu nieba SDSS (Sloan Digital Sky Survey) wykazują bardzo dobrą zgodność.

Symulacja Bolshoi koncentruje się na wybranym wycinku Wszechświata, obliczając ewolucję sześcianu objętości o boku około miliarda lat świetlnych, w którego wnętrzu oddziaływało 8,6 miliarda cząstek ciemnej materii. Zajęło to sześć milionów godziny obliczeniowych na superkomputerze Pleiades, – który według opublikowanego niedawno rankingu był siódmym najszybszym superkomputerem na świecie.

Wariant symulacji Bolshoi, znany jako BigBolshoi lub MultiDark, został uruchomiony na tym samym superkomputerze dla takiej samej liczby cząstek, ale tym razem w 64 krotnie większej objętości. BigBolshoi został przeprowadzony do przewidzenia właściwości i dystrybucji gromad galaktyk i innych ogromnych struktur, jak również w celu wsparcia projektów badających ciemną energię, takich jak Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS).

Inny wariant, zwany MiniBolshoi, jest obecnie prowadzony na superkomputerze Pleiades. MiniBolshoi skupia się na mniejszej części Wszechświata i zapewnia jeszcze wyższą rozdzielczość niż Bolshoi. Symulacja Bolshoi i jej dwa warianty zostaną udostępnione publicznie dla astrofizyków z całego świecie za pośrednictwem bazy danych MultiDark, zarządzanej przez Instytut Astrofizyki w Poczdamie w Niemczech i wspierany przez dotacje z Hiszpanii i Niemiec.

Primack, Klypin, i ich współpracownicy prowadzą dalsze analizy wyników symulacji Bolshoi przygotowując kolejne publikacje. Wśród nich są wyniki wskazujące, że symulacja poprawnie przewiduje liczbę jasnych galaktyk takich, jak Drogi Mlecznej, mające towarzyszące im mniejsze galaktyki takie jak  Wielki i Mały Obłok Magellana.

„W przygotowaniu jest znacznie więcej publikacji „- podsumowuje Primack.

Źródła:

Scientists release most accurate simulation of the universe to date

The Bolshoi supercomputer simulation, the most accurate and detailed large cosmological simulation run to date, gives physicists and astronomers a powerful new tool for understanding such cosmic mysteries as galaxy formation, dark matter, and dark energy.

The simulation traces the evolution of the large-scale structure of the universe, including the evolution and distribution of the dark matter halos in which galaxies coalesced and grew. Initial studies show good agreement between the simulation's predictions and astronomers' observations.

„In one sense, you might think the initial results are a little boring, because they basically show that our standard cosmological model works,” said Joel Primack, distinguished professor of physics at the University of California, Santa Cruz. „What's exciting is that we now have this highly accurate simulation that will provide the basis for lots of important new studies in the months and years to come.”

Primack and Anatoly Klypin, professor of astronomy at New Mexico State University, lead the team that produced the Bolshoi simulation. Klypin wrote the computer code for the simulation, which was run on the Pleiades supercomputer at NASA Ames Research Center. „These huge cosmological simulations are essential for interpreting the results of ongoing astronomical observations and for planning the new large surveys of the universe that are expected to help determine the nature of the mysterious dark energy,” Klypin said.

Primack, who directs the University of California High-Performance Astrocomputing Center (UC-HIPACC), said the initial release of data from the Bolshoi simulation began in early September. „We've released a lot of the data so that other astrophysicists can start to use it,” he said. „So far it's less than one percent of the actual output, because the total output is so huge, but there will be additional releases in the future.”

The previous benchmark for large-scale cosmological simulations, known as the Millennium Run, has been the basis for some 400 papers since 2005. But the fundamental parameters used as the input for the Millennium Run are now known to be inaccurate. Produced by the Virgo Consortium of mostly European scientists, the Millennium simulation used cosmological parameters based on the first release of data from NASA's Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). WMAP provided a detailed map of subtle variations in the cosmic microwave background radiation, the primordial radiation left over from the Big Bang. But the initial WMAP1 parameters have been superseded by subsequent releases: WMAP5 (five-year results released in 2008) and WMAP7 (seven-year results released in 2010).

The Bolshoi simulation is based on WMAP5 parameters, which are consistent with the later WMAP7 results. „The WMAP1 cosmological parameters on which the Millennium simulation is based are now known to be wrong,” Primack said. „Moreover, advances in supercomputer technology allow us to do a much better simulation with higher resolution by almost an order of magnitude. So I expect the Bolshoi simulation will have a big impact on the field.”

The standard explanation for how the universe evolved after the Big Bang is known as the Lambda Cold Dark Matter model, and it is the theoretical basis for the Bolshoi simulation. According to this model, gravity acted initially on slight density fluctuations present shortly after the Big Bang to pull together the first clumps of dark matter. These grew into larger and larger clumps through the hierarchical merging of smaller progenitors. Although the nature of dark matter remains a mystery, it accounts for about 82 percent of the matter in the universe. As a result, the evolution of structure in the universe has been driven by the gravitational interactions of dark matter. The ordinary matter that forms stars and planets has fallen into the „gravitational wells” created by clumps of dark matter, giving rise to galaxies in the centers of dark matter halos.

A principal purpose of the Bolshoi simulation is to compute and model the evolution of dark matter halos. The characteristics of the halos and subhalos in the Bolshoi simulation are presented in a paper that has been accepted for publication in the Astrophysical Journal and is now available online. The authors are Klypin, NMSU graduate student Sebastian Trujillo-Gomez, and Primack.

A second paper, also accepted for publication in the Astrophysical Journal and available online, presents the abundance and properties of galaxies predicted by the Bolshoi simulation of dark matter. The authors are Klypin, Trujillo-Gomez, Primack, and UCSC postdoctoral researcher Aaron Romanowsky. A comparison of the Bolshoi predictions with galaxy observations from the Sloan Digital Sky Survey showed very good agreement, according to Primack.

The Bolshoi simulation focused on a representative section of the universe, computing the evolution of a cubic volume measuring about one billion light-years on a side and following the interactions of 8.6 billion particles of dark matter. It took 6 million CPU-hours to run the full computation on the Pleiades supercomputer, recently ranked as the seventh fastest supercomputer in the world.

A variant of the Bolshoi simulation, known as BigBolshoi or MultiDark, was run on the same supercomputer with the same number of particles, but this time in a volume 64 times larger. BigBolshoi was run to predict the properties and distribution of galaxy clusters and other very large structures in the universe, as well as to help with dark energy projects such as the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS).

Another variant, called MiniBolshoi, is currently being run on the Pleiades supercomputer. MiniBolshoi focuses on a smaller portion of the universe and provides even higher resolution than Bolshoi. The Bolshoi simulation and its two variants will be made publicly available to astrophysical researchers worldwide in phases via the MultiDark Database, hosted by the Potsdam Astrophysics Institute in Germany and supported by grants from Spain and Germany.

Primack, Klypin, and their collaborators are continuing to analyze the results of the Bolshoi simulation and submit papers for publication. Among their findings are results showing that the simulation correctly predicts the number of galaxies as bright as the Milky Way that have satellite galaxies as bright as the Milky Way's major satellites, the Large and Small Magellanic Clouds.

„A lot more papers are on the way,” Primack said.

More information about the Bolshoi simulation, including images and videos, is available online at hipacc.ucsc.edu/Bolshoi. This research was funded by grants from NASA and the National Science Foundation.

Tim Stephens

Written by admin

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *