Чтобы ответить на этот вопрос, астрофизики-теоретики проводят космологическое моделирование. Они трансформируют свои знания о физических процессах, формирующих нашу Вселенную, в математические модели и моделируют эволюцию нашей Вселенной на высокопроизводительных компьютерах в течение миллиардов лет.Группа астрофизиков-теоретиков из LMU во главе с Клаусом Долагом в рамках проекта Magneticum Pathfinder выполнила новое уникальное гидродинамическое моделирование крупномасштабного распределения видимой материи Вселенной. Принимаются во внимание самые последние результаты, касающиеся трех важнейших космических ингредиентов Вселенной — темной энергии, темной материи и видимой материи.
Ученые включили в свои расчеты различные физические процессы, в том числе три, которые считаются особенно важными для развития видимой Вселенной: во-первых, конденсация материи в звезды, во-вторых, их дальнейшая эволюция, когда окружающее вещество нагревается звездными ветрами. и взрывы сверхновых и обогащенных химическими элементами, и в-третьих, обратная связь сверхмассивных черных дыр, которые выбрасывают огромное количество энергии во Вселенную.Наиболее полное моделирование охватывает пространственную область куба размером 12,5 миллиардов световых лет. Этот невероятно большой участок вселенной никогда раньше не был частью моделирования.
Он был разделен на ранее недостижимое число из 180 миллиардов элементов разрешения, каждый из которых представляет подробные свойства Вселенной и содержит около 500 байтов информации.Эти многочисленные характеристики впервые позволяют детально сравнить космологическое моделирование с крупномасштабными астрономическими обзорами. «Астрономические обзоры с космических телескопов, таких как Планк или Хаббл, наблюдают большой сегмент видимой Вселенной, в то время как сложное моделирование до сих пор могло моделировать только очень маленькие части Вселенной, что делало прямое сравнение практически невозможным», — говорит Клаус Долаг. «Таким образом, Magneticum Pathfinder знаменует начало новой эры в компьютерной космологии».Этому достижению предшествовали десять лет исследований и разработок, сопровождаемых экспертами Суперкомпьютерного центра им. Лейбница (LRZ) Баварской академии наук, одного из самых мощных научных компьютерных центров в Европе. «Одна из самых больших проблем для такой сложной проблемы — найти правильный баланс между оптимизацией кода моделирования и развитием астрофизического моделирования», — объясняет Клаус Долаг. «Хотя код постоянно нужно адаптировать к меняющимся технологиям и новому оборудованию, лежащие в основе модели должны быть улучшены путем включения более качественных или дополнительных описаний физических процессов, которые формируют нашу видимую вселенную».
Реализация этой крупнейшей симуляции в рамках проекта Magneticum Pathfinder заняла около двух лет. Исследовательская группа Клауса Долага была поддержана физиками центра обработки данных C2PAP, который находится в ведении Excellence Cluster Universe и расположен в LRZ.
В рамках нескольких недельных семинаров команда Magneticum Pathfinder получила возможность использовать весь высокопроизводительный суперкомпьютер SuperMUC LRZ для своего моделирования. «Я не знаю ни одного центра обработки данных, который позволил бы мне использовать всю вычислительную мощность в течение такого длительного времени», — говорит Клаус Долаг.В целом, моделирование Magneticum Pathfinder задействовало все 86 016 вычислительных ядер и полную используемую оперативную память — 155 из 194 терабайт — стадии расширения «Фаза 2» SuperMUC, которая недавно была введена в эксплуатацию. Для всего моделирования потребовалось 25 миллионов часов процессора и было сгенерировано 320 терабайт научных данных.
Эти данные теперь доступны для заинтересованных исследователей во всем мире. Астрофизики из Мюнхена уже участвуют в дальнейших проектах: среди прочего, Клаус Долаг в настоящее время сотрудничает с учеными из коллаборации Planck, чтобы сравнить наблюдения спутника Planck с расчетами Magneticum Pathfinder.