stringtranslate.com

Большой космологический симулятор

Моделирование Bolshoi , компьютерная модель Вселенной , запущенная в 2010 году на суперкомпьютере Pleiades в Исследовательском центре Эймса NASA , было наиболее точным космологическим моделированием на тот момент эволюции крупномасштабной структуры Вселенной . [1] Моделирование Bolshoi использовало ныне стандартную модель Вселенной ΛCDM (Lambda-CDM) и пятилетние и семилетние космологические параметры WMAP от группы ученых из NASA Wilkinson Microwave Anisotropy Probe . [2] «Основная цель моделирования Bolshoi — вычислить и смоделировать эволюцию гало темной материи , тем самым сделав невидимое видимым для изучения астрономами и предсказать видимую структуру, которую астрономы могут попытаться наблюдать». [3] «Bolshoi» — это русское слово, означающее «большой».

Первые две из серии исследовательских работ, описывающих Bolshoi и его последствия, были опубликованы в 2011 году в Astrophysical Journal . [4] [5] Первый выпуск данных выходных данных Bolshoi был сделан общедоступным для астрономов и астрофизиков мира. [6] Данные включают выходные данные моделирования Bolshoi и моделирования BigBolshoi, или MultiDark, объемом в 64 раза больше, чем у Bolshoi. [7] Моделирование Bolshoi-Planck с тем же разрешением, что и у Bolshoi, было запущено в 2013 году на суперкомпьютере Pleiades с использованием космологических параметров спутниковой команды Planck , опубликованных в марте 2013 года. Моделирование Bolshoi-Planck в настоящее время анализируется в рамках подготовки к публикации и распространению его результатов в 2014 году. [8] [9]

Разработка симуляций Большого театра продолжается по состоянию на 2018 год.

Участники

Команда Джоэла Р. Примака из Калифорнийского университета в Санта-Крусе объединилась с группой Анатолия Клыпина из Университета штата Нью-Мексико в Лас-Крусесе [4] [5] для запуска и анализа симуляций Большого. Дальнейший анализ и сравнение с наблюдениями группы Рисы Векслер из Стэнфордского университета и других отражены в работах, основанных на симуляциях Большого. [10]

Обоснование

Успешное крупномасштабное моделирование эволюции галактик , результаты которого соответствуют тому, что астрономы видят на ночном небе, свидетельствует о том, что теоретические основы используемых моделей, т. е. суперкомпьютерные реализации ΛCDM, являются надежной основой для понимания динамики галактик и истории Вселенной, и открывает пути для дальнейших исследований. Моделирование Большого не является первым крупномасштабным моделированием Вселенной, но оно первое, которое может соперничать с необычайной точностью современных астрофизических наблюдений. [1]

Предыдущим крупнейшим и наиболее успешным моделированием галактической эволюции был проект моделирования тысячелетия , возглавляемый Фолькером Шпрингелем. [11] Хотя успех этого проекта стимулировал более 400 исследовательских работ, моделирование тысячелетия использовало ранние космологические параметры WMAP, которые с тех пор устарели. В результате они привели к некоторым предсказаниям, например, о распределении галактик, которые не очень хорошо соответствуют наблюдениям. Моделирование Большого использует новейшие космологические параметры, имеет более высокое разрешение и было проанализировано более подробно. [10]

Методы

Моделирование Bolshoi следует за эволюционирующим распределением статистического ансамбля из 8,6 миллиардов частиц темной материи , каждая из которых представляет около 100 миллионов солнечных масс , [1] в кубе трехмерного пространства около 1 миллиарда световых лет на ребре. Темная материя и темная энергия доминируют в эволюции космоса в этой модели. Динамика моделируется с помощью теории ΛCDM и общей теории относительности Альберта Эйнштейна , причем модель включает холодную темную материю (CDM) и космологическую постоянную Λ, имитирующую космическое ускорение, называемое темной энергией.

Первые 100 миллионов лет ( Myr ) или около того эволюции Вселенной после Большого взрыва можно вывести аналитически. [12] Моделирование Bolshoi было начато при красном смещении z=80, что соответствует примерно 20 Myr после Большого взрыва. Начальные параметры были рассчитаны с помощью линейной теории, реализованной инструментами CAMB [13] , [14] частью веб-сайта WMAP. [15] Инструменты предоставляют начальные условия, включая статистическое распределение положений и скоростей частиц в ансамбле, для гораздо более требовательного моделирования Bolshoi следующих примерно 13,8 миллиардов лет. Таким образом, экспериментальный объем представляет собой случайную область Вселенной, поэтому сравнения с наблюдениями должны быть статистическими.

Ключевые космологические параметры σ8 и ΩM из наблюдений в сравнении с моделированием
Два ключевых космологических параметра, σ8 и ΩM, со значениями и 1-σ неопределенностями из наблюдений и значений, используемых в трех космологических симуляциях. Параметр σ8 представляет амплитуду спектра флуктуаций в масштабе скоплений галактик, а параметр ΩM представляет собой долю темной + обычной материи космической плотности. Наблюдения, представленные фигурами на рисунке, получены из рентгеновских и гравитационных линзовых исследований скоплений галактик. Наблюдения с погрешностями получены из данных космического микроволнового фона, объединенных с другими данными из пятилетних (2009), семилетних (2011) и девятилетних (2013) публикаций зонда микроволновой анизотропии Уилкинсона (WMAP) и выпуска данных Planck (2013). Моделирования представляют собой моделирования Millennium I, II и XXL (все они использовали те же космологические параметры, которые согласуются с данными первого года выпуска WMAP 2003 года), а также моделирования Bolshoi (2011) и Bolshoi-Planck (2014).

В моделировании Большого театра используется версия алгоритма адаптивного уточнения сетки (AMR), называемая адаптивным деревом уточнения (ART), в котором куб в пространстве с плотностью материи, превышающей заданную, рекурсивно делится на сетку меньших кубов. Подразделение продолжается до предельного уровня, выбранного для того, чтобы избежать использования слишком большого количества времени суперкомпьютера. Соседним кубам не разрешается изменяться на слишком большое количество уровней, в случае Большого театра — более чем на один уровень подразделения, чтобы избежать больших разрывов. Метод AMR/ART хорошо подходит для моделирования все более неоднородного распределения материи, которое развивается по мере продолжения моделирования. «После построения сетка, вместо того чтобы разрушаться на каждом временном шаге, быстро подстраивается под развивающееся распределение частиц». [16] Во время моделирования Bolshoi положение и скорость каждой из 8,6 миллиардов частиц, представляющих темную материю, были записаны в 180 моментальных снимках, примерно равномерно распределенных по моделируемому 13,8-миллиардному летнему циклу на суперкомпьютере Pleiades. [4] Затем каждый моментальный снимок был проанализирован, чтобы найти все гало темной материи и свойства каждого (принадлежность частиц, местоположение, распределение плотности, вращение, форма и т. д.). Все эти данные затем были использованы для определения всей истории роста и слияния каждого гало. Эти результаты, в свою очередь, используются для прогнозирования того, где будут формироваться галактики и как они будут развиваться. То, насколько хорошо эти прогнозы соответствуют наблюдениям, дает меру успешности моделирования. Были также проведены другие проверки. [5]

Результаты

Считается, что моделирование Bolshoi дало наилучшее приближение к реальности, полученное на сегодняшний день для такого большого объема пространства, около 1 миллиарда световых лет в поперечнике. «Bolshoi создает модель вселенной, которая имеет поразительное и сверхъестественное сходство с реальной вещью. Начиная с начальных условий, основанных на известном распределении материи вскоре после Большого взрыва, и используя общую теорию относительности Эйнштейна в качестве «правил» моделирования, Bolshoi предсказывает современную вселенную с галактиками, выстраивающимися в нити длиной в сто миллионов световых лет, которые окружают огромные пустоты, образуя космическую пену, которая точно соответствует космической паутине , как показали глубокие исследования галактик, такие как Sloan Digital Sky Survey . Чтобы достичь такого близкого соответствия, Bolshoi явно дает космологам довольно точную картину того, как на самом деле развивалась вселенная». [17] Моделирование Bolshoi показало, что приближение Шета-Тормена переоценивает обилие гало на фактор для красных смещений . [4]

Поддерживать

Это исследование было поддержано грантами от NASA и Национального научного фонда (США) Джоэлу Примаку и Анатолию Клыпину, включая огромные гранты на суперкомпьютерное время на суперкомпьютере NASA Advanced Supercomputing (NAS) Pleiades в исследовательском центре NASA Ames. Хостинг результатов и анализов Большого в Институте астрофизики Лейбница в Потсдаме (AIP) частично поддерживается грантом MultiDark из испанской программы MICINN. [18]

В популярной культуре

Визуализация симуляции Большого театра была показана в телевизионной программе National Geographic « Внутри Млечного Пути » . [7] [19] Исландская певица и автор песен Бьорк использовала кадры из космологической симуляции Большого театра при исполнении своего музыкального номера «Темная материя» на концерте Biophilia . [20]

Ссылки

  1. ^ abc Primack, Joel R. (1 октября 2012 г.). «Космологический суперкомпьютер. Как моделирование Большого снова эволюционирует во вселенной». IEEE Spectrum . Получено 31 декабря 2013 г.
  2. ^ Хейс, Брайан. «Коробка Вселенной». Американский ученый . Sigma Xi, Научно-исследовательское общество. Архивировано из оригинала 10 августа 2014 года . Получено 11 января 2014 года .
  3. ^ Primack, J.; Bell, T. (июль 2012 г.). «Моделирование на суперкомпьютере превращает космологию из чисто наблюдательной науки в экспериментальную» (PDF) . University of California High-Performance AstroComputing Center . Sky & Telescope . Получено 31 декабря 2013 г.
  4. ^ abcd Клыпин, Анатолий А.; Трухильо-Гомес, Себастьян; Примак, Джоэл (20 октября 2011 г.). "Гало темной материи в стандартной космологической модели: результаты моделирования Большого" (PDF) . The Astrophysical Journal . 740 (2): 102. arXiv : 1002.3660 . Bibcode :2011ApJ...740..102K. doi :10.1088/0004-637X/740/2/102. S2CID  16517863 . Получено 1 января 2014 г.
  5. ^ abc Трухильо-Гомес, Себастьян; Клыпин, Анатолий; Примак, Джоэл; Романовски, Аарон Дж. (23 сентября 2011 г.). "Галактики в ΛCDM с соответствием содержания гало: соотношение светимости и скорости, соотношение барионной массы и скорости, функция скорости и кластеризация" (PDF) . The Astrophysical Journal . 742 (1): 16. arXiv : 1005.1289 . Bibcode :2011ApJ...742...16T. doi :10.1088/0004-637X/742/1/16. S2CID  53004003 . Получено 1 января 2014 г.
  6. ^ Riebe, Kristin; Partl, Adrian M.; Enke, Harry; Forero-Romero, Jaime; Gottloeber, Stefan; Klypin, Anatoly; Lemson, Gerard; Prada, Francisco; Primack, Joel R.; Steinmetz, Matthias; Turchaninov, Victor (август 2013 г.). "The MultiDark Database: Release of the Bolshoi and MultiDark Cosmological Simulations". Astronomische Nachrichten . 334 (7): 691–708. arXiv : 1109.0003 . Bibcode : 2013AN....334..691R. doi : 10.1002/asna.201211900. S2CID  16512696. Получено 1 января 2014 г.
  7. ^ ab "Введение: Моделирование Большого в UC-HiPACC". Космологическое моделирование Большого . Получено 1 января 2014 г.
  8. ^ Примак, Джоэл. «Вычисление Вселенной». Национальная лаборатория Лос-Аламоса . Получено 1 января 2014 г.
  9. ^ Примак, Джоэл. "Большой-Планк Космологическое моделирование. Анатолий Клыпин и Джоэл Примак" (PDF) . Калифорнийский университет Высокопроизводительный астровычислительный центр. стр. 25 . Получено 1 января 2014 г. .
  10. ^ ab High-Performance AstroComputing Center, University of California. "Publications". Bolshoi Cosmic Simulation . University of California-HiPACC . Получено 3 января 2014 г.
  11. ^ Boylan-Kolchin, Michael; Volker Springel; Simon DM White; Adrian Jenkins; Gerard Lemson (5 июня 2009 г.). «Resolving cosmic structure formation with the Millennium-II Simulation». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 398 (3): 1150–1164. arXiv : 0903.3041 . Bibcode : 2009MNRAS.398.1150B. doi : 10.1111/j.1365-2966.2009.15191.x . S2CID  9703617.
  12. ^ Лёб, Абрахам (2010). Как образовались первые звёзды и галактики?. Princeton Frontiers in Physics. Принстон, Нью-Джерси: Princeton University Press . ISBN 9781400834068. Получено 3 января 2014 г.
  13. ^ Льюис, Энтони; Чаллинор, Энтони. «Код для анизотропии в микроволновом фоне». Энтони Льюис . Получено 3 января 2014 г.
  14. ^ "CAMB Web Interface". Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Центр космических полетов имени Годдарда . Получено 3 января 2014 г.
  15. ^ Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Центр космических полетов имени Годдарда. "Зонд микроволновой анизотропии Уилкинсона". NASA . Получено 3 января 2014 г.
  16. ^ Кравцов, Андрей В.; Клыпин, Анатолий А.; Хохлов, Алексей М. (1997). "Адаптивное дерево уточнения − новый код высокого разрешения N-тел для космологического моделирования" (PDF) . Серия приложений к астрофизическому журналу . 111 (1): 73. arXiv : astro-ph/9701195 . Bibcode :1997ApJS..111...73K. doi :10.1086/313015. S2CID  14416883.
  17. ^ «Введение в интервью с Джоэлом Примаком». Sky and Telescope. 19 марта 2012 г. Получено 1 января 2014 г.
  18. ^ «Какова была поддержка пакета моделирования Большого театра?». Часто задаваемые вопросы . Калифорнийский университет-HiPACC . Получено 12 января 2014 г.
  19. ^ "Отрывки из "Внутри Млечного Пути", снятого National Geographic TV" . Получено 1 января 2014 г.
  20. ^ Бьорк. "Björk – Dark Matter @ Bestival 2011". YouTube . Получено 3 января 2014 г.

Ссылки на рисунок

Внешние ссылки