Historia Wszechświata została właśnie zamknięta w komputerze. Aurora przeprowadził symulacje, które pomogą zbadać tajemnice kosmicznej inflacji.
Amerykańscy naukowcy stworzyli jedne z największych komputerowych symulacji Wszechświata w historii. Każda z nich śledziła zachowanie 13,4 bln cząstek ciemnej materii w ciągu miliardów lat, odtwarzając procesy odpowiedzialne za powstawanie gigantycznych struktur kosmicznych.
Do przeprowadzenia obliczeń wykorzystano superkomputer Aurora, który przez około 4 dni pracował na ogromnej części swojej mocy. Wyniki mają pomóc odpowiedzieć na pytanie, co wydarzyło się w pierwszych chwilach istnienia kosmosu i dlaczego dzisiejszy Wszechświat wygląda właśnie tak.
13,4 bln cząstek zamkniętych w cyfrowym Wszechświecie
Za przedsięwzięciem stoi zespół z Argonne National Laboratory w Stanach Zjednoczonych, kierowany przez Nicholasa Frontiere. Naukowcy przeprowadzili dwie ogromne symulacje kosmologiczne, z których każda obejmowała przestrzeń o szerokości 28,6 mld lat świetlnych. W jej wnętrzu umieszczono 13,4 bln wirtualnych cząstek reprezentujących ciemną materię, a następnie obliczano, jak pod wpływem grawitacji zmieniało się ich rozmieszczenie.
Nie oznacza to oczywiście, iż komputer odtworzył każdą gwiazdę czy galaktykę istniejącą we Wszechświecie. Symulowane cząstki stanowiły matematyczne odpowiedniki fragmentów rozkładu ciemnej materii, której obecność możemy rozpoznawać dzięki oddziaływaniu grawitacyjnemu. Pozwoliło to prześledzić formowanie się rozległej sieci kosmicznej, czyli układu włókien, skupisk i ogromnych pustek, wzdłuż których rozmieszczone są galaktyki.
Jak pisaliśmy już przy okazji szczegółowych obserwacji kosmicznej sieci, ciemna materia tworzy niewidzialny szkielet, który w dużej mierze decyduje o rozmieszczeniu zwykłej materii. Bez zrozumienia jej zachowania trudno wyjaśnić, dlaczego galaktyki nie są rozrzucone przypadkowo, ale tworzą uporządkowane struktury rozciągające się na miliony lat świetlnych.
Skala przedsięwzięcia oznacza nowy rekord pod względem liczby cząstek uwzględnionych w pojedynczej symulacji kosmologicznej. Badacze nie ograniczyli się jednak do imponowania wielkością modelu. Chcieli stworzyć narzędzie zdolne do ujawniania niezwykle drobnych różnic w strukturze Wszechświata, które mogą przechowywać informacje o jego najwcześniejszej historii.
Superkomputer Aurora potrzebował zaledwie 4 dni
Tak ogromna symulacja wymagała maszyny o możliwościach daleko wykraczających poza zwykłe centra obliczeniowe. Aurora, pracujący w Argonne Leadership Computing Facility, należy do klasy superkomputerów eksaskalowych. Oznacza to zdolność wykonywania ponad tryliona operacji obliczeniowych na sekundę.
Cały system składa się z 10 624 węzłów obliczeniowych i 63 744 procesorów graficznych. Podczas każdej symulacji wykorzystano 8100 węzłów oraz około 50 tys. GPU, które równolegle obliczały wzajemne oddziaływania wirtualnych cząstek. Wykonanie obu symulacji wraz ze znaczną częścią analizy danych zajęło około 4 dni.
Samo przechowywanie wyników było równie wymagające jak obliczenia. System zapisał ponad 85 petabajtów danych, przede wszystkim w postaci punktów kontrolnych pozwalających wznowić pracę po ewentualnej awarii. Z tej ogromnej ilości około 8 petabajtów zachowano do dalszej analizy naukowej. Jeden petabajt odpowiada milionowi gigabajtów.
Do przeprowadzenia symulacji wykorzystano opracowane w Argonne oprogramowanie HACC, zaprojektowane do modelowania ewolucji wielkoskalowych struktur kosmicznych. Wcześniej ten sam zespół uczestniczył w rekordowych obliczeniach wykonywanych na superkomputerze Frontier, gdzie uwzględniano również zachowanie gazu i procesy towarzyszące powstawaniu galaktyk.
Tym razem naukowcy skoncentrowali się wyłącznie na oddziaływaniach grawitacyjnych. Rezygnacja z modelowania dodatkowych procesów fizycznych umożliwiła objęcie obliczeniami większej przestrzeni i znacznie większej liczby cząstek.
Chcą odkryć, co wydarzyło się zaraz po Wielkim Wybuchu
Najważniejszym celem eksperymentu jest zbadanie inflacji kosmicznej. Zgodnie z tą teorią Wszechświat w bardzo wczesnej fazie swojego istnienia przeszedł okres gwałtownego rozszerzania. W jego trakcie mikroskopijne fluktuacje kwantowe, czyli niewielkie zaburzenia występujące w świecie cząstek elementarnych, miały zostać rozciągnięte do rozmiarów kosmologicznych.
Później grawitacja stopniowo wzmacniała te drobne różnice w gęstości materii. W obszarach, w których było jej nieco więcej, zaczęły powstawać coraz większe skupiska, a po miliardach lat utworzyły się struktury obserwowane w tej chwili przez astronomów.
Problem polega jednak na tym, iż mechanizm odpowiedzialny za inflację przez cały czas pozostaje nam nieznany. Standardowe modele przewidują, iż pierwotne zaburzenia powinny podlegać rozkładowi Gaussa, czyli określonemu matematycznemu wzorcowi losowych odchyleń. Naukowcy poszukują jednak niewielkich odstępstw od tej prawidłowości, określanych jako pierwotna niegaussowskość.
Wykrycie takich odchyleń w rzeczywistych danych mogłoby wskazać, iż podczas inflacji działały dodatkowe mechanizmy fizyczne, których nie uwzględniają najprostsze teorie. Problem stanowi niezwykle słaby sygnał, który łatwo pomylić z naturalnymi różnicami w rozmieszczeniu galaktyk. I właśnie tutaj potrzebne są symulacje obejmujące niewyobrażalnie wielkie fragmenty kosmosu.
Stworzyli dwa Wszechświaty, które są swoimi lustrzanymi odbiciami
Naukowcy nie stworzyli dwóch niezależnych modeli o przypadkowych parametrach. Obie symulacje opierają się na tym samym modelu kosmologicznym i zawierają taki sam sygnał niegaussowski, ale ich początkowe fazy zostały odwrócone.
Powstały więc dwa statystyczne odpowiedniki Wszechświata, których przypadkowe różnice częściowo się znoszą podczas wspólnej analizy. Dzięki temu łatwiej wyodrębnić subtelne adekwatności wynikające z przyjętych praw fizyki, zamiast koncentrować się na szumie powstającym z losowych warunków początkowych.
Badacze zastosowali również procedurę ślepej analizy. Wartość zasymulowanego sygnału została ukryta przed osobami testującymi metody jego wykrywania. Ich zadaniem będzie samodzielne odzyskanie tej informacji na podstawie wygenerowanych danych, bez znajomości oczekiwanego wyniku.
To istotne zabezpieczenie przed nieświadomym dopasowywaniem metod analitycznych do założeń badaczy. o ile opracowane narzędzia potrafią prawidłowo rozpoznać ukryty sygnał w symulacji, będzie można z większą pewnością wykorzystać je podczas analizy prawdziwych obserwacji astronomicznych.
Cyfrowy kosmos pomoże zrozumieć prawdziwe obserwacje
Wyniki obliczeń na superkomputerze Aurora mają wspierać m.in. projekt DESI oraz kosmiczne obserwatorium SPHEREx. Oba przedsięwzięcia gromadzą informacje o rozmieszczeniu materii we Wszechświecie, ale potrzebują odpowiednio dokładnych modeli, aby można było prawidłowo zinterpretować obserwowane struktury.
O tym, jak ogromne znaczenie mają takie dane, przekonaliśmy się niedawno, gdy DESI ukończył tworzenie największej trójwymiarowej mapy Wszechświata. Jej analiza dostarcza nowych informacji o historii kosmosu, ale jednocześnie stawia pytania dotyczące schematy obecnego modelu kosmologicznego.
Symulacje Aurory pozwolą przygotowywać sztuczne mapy całego nieba, które można porównywać z rzeczywistymi obserwacjami. Naukowcy będą mogli sprawdzić, jak proponowane metody analizy radzą sobie z wykrywaniem określonych sygnałów, identyfikować błędy pomiarowe i lepiej oceniać wiarygodność otrzymywanych wyników.
Zauważmy, iż nie jest to pierwsza próba komputerowego odtworzenia historii kosmosu. Pisaliśmy już o projekcie FLAMINGO, w ramach którego powstały rozbudowane symulacje ewolucji materii i galaktyk. Różnica polega na tym, iż najnowsze obliczenia wykorzystują niezwykle dużą liczbę cząstek do poszukiwania śladów procesów zachodzących u samych początków Wszechświata.
Na razie nie oznacza to, iż zagadka inflacji została rozwiązana. Aurora dostarczył narzędzia, które mogą pomóc ją zbadać, ale odpowiedź musi ostatecznie wynikać z porównania modeli z rzeczywistymi danymi. Nowy rekord pokazuje nam jednak, iż współczesne superkomputery pozwalają testować pytania, na które jeszcze niedawno nie sposób było szukać odpowiedzi z taką dokładnością.
*Źródło zdjęcia wprowadzającego: Intel / Canva Pro
