Les astrophysiciens révèlent la plus grande suite de simulations de l’Univers jamais réalisée

Pour comprendre comment l'univers s'est formé, les astronomes ont créé AbacusSummit, plus de 160 simulations de la façon dont la gravité a pu façonner la distribution de la matière noire. Comptant collectivement près de 60 000 milliards de particules, ce nouvel ensemble de simulations cosmologiques est de loin le plus grand jamais produit. La suite de simulation sera déterminante pour extraire les secrets de l'univers à partir des prochaines études du cosmos, prédisent ses créateurs. Ils présentent AbacusSummit dans plusieurs articles publiés cette semaine dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

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AbacusSummit est le produit de chercheurs du Flatiron Institute’s Center for Computational Astrophysics (CCA) à New York et du Center for Astrophysics | Harvard et Smithsonian. Composé de plus de 160 simulations, il modélise la façon dont les particules de l’univers se déplacent en raison de leur attraction gravitationnelle. De tels modèles, connus sous le nom de simulations à N corps, capturent le comportement de la matière noire, une force mystérieuse et invisible qui représente 27% de l’univers et n’interagit que via la gravité.

“Cette suite est si grande qu’elle contient probablement plus de particules que toutes les autres simulations à N corps qui ont jamais été exécutées combinées – bien que ce soit une affirmation difficile à confirmer”, déclare Lehman Garrison, auteur principal de l’un des nouveaux articles. et un chercheur du CCA. Garrison a dirigé le développement des simulations AbacusSummit avec l’étudiante diplômée Nina Maksimova et le professeur d’astronomie Daniel Eisenstein, tous deux du Center for Astrophysics. Les simulations ont été exécutées sur le supercalculateur Summit du département américain de l’Énergie à l’Oak Ridge Leadership Computing Facility dans le Tennessee.

Plusieurs études spatiales produiront des cartes du cosmos avec des détails sans précédent dans les années à venir. Il s’agit notamment de l’instrument spectroscopique à énergie noire (DESI), du télescope spatial romain Nancy Grace, de l’observatoire Vera C. Rubin et du vaisseau spatial Euclid. L’un des objectifs de ces missions à gros budget est d’améliorer les estimations des paramètres cosmiques et astrophysiques qui déterminent le comportement et l’apparence de l’univers.

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Les scientifiques effectueront ces estimations améliorées en comparant les nouvelles observations à des simulations informatiques de l’univers avec différentes valeurs pour les divers paramètres, tels que la nature de l’énergie noire qui sépare l’univers.

“La prochaine génération d’études cosmologiques cartographiera l’univers de manière très détaillée et explorera un large éventail de questions cosmologiques”, a déclaré Eisenstein, co-auteur des nouveaux articles du MNRAS. “Mais tirer parti de cette opportunité nécessite une nouvelle génération de simulations numériques ambitieuses. Nous pensons qu’AbacusSummit sera une étape audacieuse pour la synergie entre le calcul et l’expérimentation“.

Le projet de dix ans était intimidant. Les calculs à N corps – qui tentent de calculer les mouvements d’objets, comme les planètes, interagissant de manière gravitationnelle – ont été un défi majeur dans le domaine de la physique depuis l’époque d’Isaac Newton. La difficulté vient du fait que chaque objet interagit avec tous les autres objets, quelle que soit la distance. Cela signifie que lorsque vous ajoutez plus de choses, le nombre d’interactions augmente rapidement. Il n’y a pas de solution générale au problème à N corps pour trois corps massifs ou plus. Les calculs disponibles ne sont que des approximations. Une approche courante consiste à figer le temps, à calculer la force totale agissant sur chaque objet, puis à pousser chacun d’eux en fonction de la force nette qu’il subit. Le temps est ensuite légèrement avancé et le processus se répète.

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En utilisant cette approche, AbacusSummit a traité un nombre colossal de particules grâce à un code intelligent, une nouvelle méthode numérique et beaucoup de puissance de calcul. Le supercalculateur Summit était le plus rapide au monde au moment où l’équipe a effectué les calculs; c’est toujours l’ordinateur le plus rapide des États-Unis. L’équipe a conçu la base de code d’AbacusSummit – appelée Abacus – pour tirer pleinement parti de la puissance de traitement parallèle de Summit, grâce à laquelle plusieurs calculs peuvent être exécutés simultanément. En particulier, Summit possède de nombreuses unités de traitement graphique, ou GPU, qui excellent dans le traitement parallèle.

L’exécution de calculs à N corps à l’aide d’un traitement parallèle nécessite une conception d’algorithme minutieuse, car une simulation entière nécessite une quantité substantielle de mémoire à stocker. Cela signifie qu’Abacus ne peut pas simplement faire des copies de la simulation pour les différents nœuds du superordinateur sur lesquels travailler. Le code divise à la place chaque simulation en une grille. Un premier calcul fournit une bonne approximation des effets des particules distantes à un moment donné de la simulation (qui jouent un rôle beaucoup plus faible que les particules proches). Abacus regroupe ensuite les cellules voisines et les sépare afin que l’ordinateur puisse travailler sur chaque groupe indépendamment, combinant l’approximation des particules distantes avec des calculs précis des particules proches.

“L’algorithme Abacus est bien adapté aux capacités des superordinateurs modernes, car il fournit un modèle de calcul très régulier pour le parallélisme massif des coprocesseurs GPU”, explique Maksimova. Grâce à sa conception, Abacus a atteint des vitesses très élevées, mettant à jour 70 millions de particules par seconde et par nœud du supercalculateur Summit, tout en effectuant également une analyse des simulations au fur et à mesure de leur exécution. Chaque particule représente un amas de matière noire avec 3 milliards de fois la masse du soleil.

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“Notre vision était de créer ce code pour fournir les simulations nécessaires à cette nouvelle marque particulière d’enquête sur les galaxies”, explique Garrison. “Nous avons écrit le code pour effectuer les simulations beaucoup plus rapidement et avec une plus grande précision que jamais auparavant”. Eisenstein, qui est membre de la collaboration DESI – qui a récemment commencé son étude pour cartographier une fraction sans précédent de l’univers – se dit impatient d’utiliser Abacus à l’avenir. “La cosmologie fait un bond en avant grâce à la fusion multidisciplinaire d’observations spectaculaires et d’informatique de pointe”, dit-il. “La décennie à venir promet d’être une époque merveilleuse dans notre étude du balayage historique de l’univers”.

Parmi les autres co-créateurs d’Abacus et d’AbacusSummit figurent Sihan Yuan de l’Université de Stanford, Philip Pinto de l’Université de l’Arizona, Sownak Bose de l’Université de Durham en Angleterre et les chercheurs du Centre d’astrophysique Boryana Hadzhiyska, Thomas Satterthwaite et Douglas Ferrer. Les simulations ont été exécutées sur le supercalculateur Summit dans le cadre d’une allocation Advanced Scientific Computing Research Leadership Computing Challenge.

Voir la publication

Nina A Maksimova, Lehman H Garrison, Daniel J Eisenstein, Boryana Hadzhiyska, Sownak Bose, Thomas P Satterthwaite, AbacusSummit : a massive set of high-accuracy, high-resolution N-body simulations, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 508, Issue 3, December 2021, Pages 4017–4037, doi : https://doi.org/10.1093/mnras/stab2484

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