Na superkomputerach trwają obliczenia ewolucji galaktyk i czarnych dziur. Uniwersytet Teksański w Austin (USA) informuje, że symulacja o nazwie ASTRID dotarła z obliczeniami zaczynającymi się 13,5 miliarda lat temu do współczesnych czasów Wszechświata.

Do badań kosmosu astronomowie używają teleskopów, ale także i superkomputerów. Dzięki tym drugim można wywnioskować i zrozumieć, co oznaczają dane zebrane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba czy inne wielkie obserwatoria.

Jedną z największych kosmologicznych symulacji hydrodynamicznych jest ASTRID. Śledzi ona ewolucję Wszechświata od najdawniejszych początków do chwili obecnej.

„Najważniejsza informacja z naszych najnowszych badań jest następująca: wyewoluowaliśmy symulację ASTRID do z = 0 i mamy dostępne dane” – skomentowała Yihao Zhou, doktorantka w Carnegie Mellon University’s (CMU), pierwsza autorka publikacji, która ukazała się w „The Astrophysical Journal”.

Litera z oznacza przesunięcie ku czerwieni, czyli miarę wydłużenia światła (fal elektromagnetycznych) podróżującego przez kosmos. Gdy odbieramy światło przez teleskop, jego długość jest inna niż w momencie emisji przez obiekt. Wynika to m.in. z rozszerzania się Wszechświata i pozwala na określanie odległości w badaniach kosmologicznych. Im większa wartość z, tym dalej jest od nas obiekt i tym wcześniejszy okres istnienia Wszechświata widzimy.

Chwila obecna to z = 0. Symulację ASTRID rozpoczęto dla z = 99, co odpowiada 13,5 miliarda lat wstecz historii Wszechświata. Symulacja badała wzrost czarnych dziur od czasów, gdy powstawały, do chwili obecnej. Analizowano także ewolucję galaktyk.

Obliczeń dokonywano na superkomputerze Frontera w Texas Advanced Computing Center (TACC). Symulacja modelowała 166 miliardów komórek w objętości kosmosu mierzącej 815 milionów lat świetlnych. Uwzględniała złożone interakcje fizyczne, w tym grawitację i hydrodynamikę, dla każdego kroku czasowego. Również dane wejściowe i wyjściowe były obliczeniowo wymagające – każda migawka z symulacji zajmuje 30 terabajtów.

W najnowszej publikacji opisano rezultaty dla z = 0. W szczególności funkcja mas czarnych dziur pasuje do danych obserwacyjnych dla czarnych dziur o masach większych niż 10 milionów mas Słońca, a dla mniej masywnych występuje nadwyżka takich obiektów w stosunku do obserwacji. Symulacja poprawnie odwzorowała wspólną ewolucję masywnych czarnych dziur i galaktyk macierzystych. Dobra jest również zgodność funkcji masy gwiazdowej galaktyk.

Symulacja będzie pomocna przy różnych badaniach Wszechświata, w tym przy interpretowaniu obserwacji przez Teleskop Webba obiektów z wczesnych etapów jego ewolucji. Umożliwia też m.in. przewidywanie fal grawitacyjnych (w jakich środowiskach znajdują się źródła tych fal najbardziej prawdopodobne do wykrycia) i będzie przydatnym narzędziem do planowania przyszłych detektorów fal grawitacyjnych.

Naukowcy planują dalsze obliczenia na nowym superkomputerze Horizon, który powinien zacząć działanie jeszcze w tym roku. Dotychczasowa symulacja działała tylko z wykorzystaniem procesorów CPU. Nowy model będzie korzystał też z procesorów graficznych (GPU).

Superkomputer Frontera ma blisko 450 tysięcy rdzeni i teoretyczną szczytową moc obliczeniową 38,75 PF, a stabilnie osiąga 23,52 PF. Są to wyniki porównywalne do najszybszego superkomputera działającego w Polsce (Helios). Rezultat ten plasuje superkomputer Frontera pod koniec pierwszej setki superkomputerów na świecie, na liście prowadzonej przez Top500.org. Nowy superkomputer Horizon ma mieć 360 PF, czyli będzie około dziesięciokrotnie szybszy. We wspomnianym rankingu dałoby mu to miejsce w drugiej dziesiątce. (PAP)