Superkomputer Aurora odtworzył historię Wszechświata w zaledwie 4 dni

Zespół badawczy z USA opracował dwie gigantyczne symulacje komputerowe odtwarzające ewolucję kosmosu na przestrzeni miliardów lat. Każda z nich obejmowała aż 13,4 bln wirtualnych cząstek ciemnej materii, których zachowanie pozwoliło prześledzić mechanizmy odpowiadające za narodziny największych struktur we Wszechświecie.

Obliczenia wykonano na superkomputerze Aurora, który przez cztery doby działał z wykorzystaniem znacznej części swoich zasobów. Celem projektu jest lepsze zrozumienie, co zdarzyło się w najwcześniejszych momentach istnienia kosmosu i dlaczego obecny Wszechświat przybrał taki, a nie inny kształt.

13,4 bln cząstek zamkniętych w cyfrowym Wszechświecie

Projekt zrealizował zespół z Argonne National Laboratory, na czele którego stał Nicholas Frontiere. Badacze przygotowali dwie olbrzymie symulacje kosmologiczne, z których każda odwzorowywała obszar o rozpiętości 28,6 mld lat świetlnych. Wewnątrz tej przestrzeni umieszczono 13,4 bln cząstek symulujących ciemną materię, a następnie śledzono, jak pod wpływem sił grawitacji zmieniał się ich układ.

To nie oznacza, że maszyna odwzorowała każdą pojedynczą galaktykę czy gwiazdę. Cząstki użyte w symulacji były matematycznym przybliżeniem fragmentów rozkładu ciemnej materii, której istnienie zdradza nam jedynie jej wpływ grawitacyjny. Taki model umożliwił odtworzenie rozległej sieci kosmicznej - systemu włókien, zagęszczeń i pustek, wzdłuż których rozmieszczone są galaktyki.

Ciemna materia buduje niewidoczny szkielet decydujący w dużej mierze o tym, jak rozlokowana jest zwykła materia we Wszechświecie. Bez poznania jej zachowania trudno byłoby wytłumaczyć, czemu galaktyki nie są porozrzucane bezładnie, lecz układają się w uporządkowane struktury rozciągające się na miliony lat świetlnych.

Pod względem liczby uwzględnionych cząstek przedsięwzięcie ustanowiło nowy rekord wśród symulacji kosmologicznych. Naukowcom nie chodziło jednak wyłącznie o pobicie rekordu skali - zależało im na narzędziu zdolnym wykryć minimalne odstępstwa w strukturze Wszechświata, które mogą skrywać informacje o jego najdawniejszej przeszłości.

Superkomputer Aurora potrzebował zaledwie 4 dni

Projekt o takiej skali wymagał sprzętu znacznie przewyższającego możliwości typowych centrów obliczeniowych. Aurora, działający w ramach Argonne Leadership Computing Facility, zalicza się do grona superkomputerów eksaskalowych, zdolnych wykonywać ponad bilion miliardów operacji na sekundę.

Cała infrastruktura obejmuje 10 624 węzły obliczeniowe oraz 63 744 procesory graficzne. Do każdej z symulacji zaangażowano 8100 węzłów i około 50 tys. GPU, które jednocześnie liczyły wzajemne oddziaływania cząstek. Całość obliczeń, wraz z dużą częścią analizy danych, zamknęła się w około czterech dniach.

Przechowywanie wyników okazało się zadaniem równie wymagającym co same obliczenia. System zapisał ponad 85 petabajtów danych, w większości w formie punktów kontrolnych umożliwiających wznowienie pracy po ewentualnej awarii. Z tego zbioru około 8 petabajtów zachowano z myślą o dalszych analizach naukowych - przypomnijmy, że jeden petabajt to milion gigabajtów.

Symulacje przeprowadzono z użyciem oprogramowania HACC, stworzonego w Argonne specjalnie do modelowania ewolucji wielkoskalowych struktur kosmicznych. Ten sam zespół wcześniej brał udział w rekordowych obliczeniach na superkomputerze Frontier, gdzie dodatkowo uwzględniano zachowanie gazu i procesy towarzyszące powstawaniu galaktyk.

Tym razem badacze ograniczyli się wyłącznie do oddziaływań grawitacyjnych. Pominięcie innych procesów fizycznych pozwoliło objąć obliczeniami większy obszar przestrzeni i znacznie większą liczbę cząstek.

Chcą odkryć, co wydarzyło się zaraz po Wielkim Wybuchu

Głównym celem eksperymentu jest zbadanie zjawiska inflacji kosmicznej. Teoria ta zakłada, że we wczesnej fazie istnienia Wszechświat przeszedł okres błyskawicznego rozszerzania, podczas którego mikroskopijne fluktuacje kwantowe - drobne zaburzenia w świecie cząstek elementarnych - zostały rozciągnięte do skali kosmologicznej.

W kolejnych etapach grawitacja stopniowo pogłębiała te niewielkie różnice gęstości materii. Tam, gdzie materii było nieco więcej, zaczynały narastać coraz większe skupiska, które po miliardach lat przekształciły się w struktury widoczne dziś przez astronomów.

Kłopot w tym, że mechanizm stojący za inflacją wciąż pozostaje nieznany. Zgodnie ze standardowymi modelami pierwotne zaburzenia powinny układać się według rozkładu Gaussa, czyli ściśle określonego matematycznego wzorca losowych odchyleń. Naukowcy szukają jednak niewielkich odstępstw od tej reguły, nazywanych pierwotną niegaussowskością.

Wykrycie takich anomalii w rzeczywistych danych mogłoby świadczyć o istnieniu dodatkowych mechanizmów fizycznych działających podczas inflacji, których nie przewidują najprostsze teorie. Problem w tym, że poszukiwany sygnał jest bardzo słaby i łatwo pomylić go z naturalnymi różnicami w rozmieszczeniu galaktyk. Właśnie dlatego potrzebne są symulacje obejmujące ogromne fragmenty kosmosu.

Stworzyli dwa Wszechświaty, które są swoimi lustrzanymi odbiciami

Naukowcy nie zbudowali dwóch niezależnych od siebie modeli z przypadkowo dobranymi parametrami. Obie symulacje bazują na tym samym modelu kosmologicznym i zawierają identyczny sygnał niegaussowski, różnią się jednak tym, że ich początkowe fazy zostały odwrócone.

W efekcie powstały dwa statystyczne warianty Wszechświata, w których przypadkowe różnice częściowo znoszą się podczas wspólnej analizy. Taki zabieg ułatwia wyodrębnienie subtelnych właściwości wynikających z przyjętych praw fizyki, zamiast skupiania się na szumie generowanym przez losowe warunki początkowe.

Zastosowano również procedurę ślepej analizy - wartość zasymulowanego sygnału ukryto przed osobami testującymi metody jego wykrywania. Ich zadaniem jest samodzielne odtworzenie tej informacji na podstawie wygenerowanych danych, bez wcześniejszej znajomości oczekiwanego wyniku.

To ważne zabezpieczenie przed nieświadomym dostosowywaniem metod analitycznych do założeń badaczy. Jeśli opracowane narzędzia poprawnie rozpoznają ukryty sygnał w symulacji, będzie można z większym zaufaniem stosować je przy analizie prawdziwych obserwacji astronomicznych.

Cyfrowy kosmos pomoże zrozumieć prawdziwe obserwacje

Wyniki obliczeń wykonanych na superkomputerze Aurora mają wesprzeć między innymi projekt DESI oraz kosmiczne obserwatorium SPHEREx. Oba przedsięwzięcia zbierają dane o rozmieszczeniu materii we Wszechświecie, ale żeby prawidłowo zinterpretować obserwowane struktury, potrzebują odpowiednio precyzyjnych modeli.

O znaczeniu takich danych przekonaliśmy się niedawno, gdy DESI zakończył tworzenie największej trójwymiarowej mapy Wszechświata. Jej analiza dostarcza nowych informacji o historii kosmosu, równocześnie jednak rodzi pytania dotyczące poprawności dotychczasowego modelu kosmologicznego.

Symulacje z Aurory umożliwią tworzenie sztucznych map całego nieba, które będzie można zestawiać z rzeczywistymi obserwacjami. Dzięki temu naukowcy sprawdzą, jak proponowane metody analizy radzą sobie z wykrywaniem określonych sygnałów, łatwiej zidentyfikują błędy pomiarowe i trafniej ocenią wiarygodność uzyskiwanych wyników.

Warto zaznaczyć, że to nie pierwsza próba odtworzenia historii kosmosu za pomocą komputera. Wcześniej opisywany był projekt FLAMINGO, w ramach którego powstały rozbudowane symulacje ewolucji materii i galaktyk. Różnica polega na tym, że najnowsze obliczenia wykorzystują wyjątkowo dużą liczbę cząstek, by szukać śladów procesów zachodzących u samego zarania Wszechświata.

Nie oznacza to jeszcze, że zagadka inflacji została rozwiązana. Aurora dostarczyła narzędzia mogące pomóc w jej zbadaniu, ale ostateczna odpowiedź musi wynikać z zestawienia modeli z rzeczywistymi danymi obserwacyjnymi. Nowy rekord pokazuje jednak, że współczesne superkomputery pozwalają dziś stawiać pytania, na które jeszcze niedawno nie dało się szukać odpowiedzi z taką precyzją.