Давняя проблема с суперкомпьютерным моделированием образования и эволюции галактик заключалась в получении согласованных результатов в различных кодах (программах) и с фактическими наблюдениями, чтобы смоделированные компьютером галактики выглядели как настоящие галактики. Хотя такие конфликты могут свидетельствовать о сложной физике невидимой темной материи, новые данные свидетельствуют о том, что несоответствия могут возникать из-за плохого понимания процессов, связанных с обычной материей, а также из-за ограничений вычислительных возможностей и различий в компьютерных кодах.
Теперь амбициозный новый многолетний проект под названием АГОРА, древнегреческое слово, означающее место встречи, и аббревиатура от «Сборка галактик разрешенной анатомии», направленный на понимание и устранение таких несоответствий, описан в флагманской статье Джи-хуна. Ким и 45 соавторов приняты к публикации в приложении к астрофизическому журналу.
«Воспроизводимость - один из самых элементарных принципов научных методов», - пишут 46 авторов. «Результат эксперимента может быть признан научным знанием только после того, как результат во всей его полноте может быть воспроизведен другими членами научного сообщества в соответствии с той же процедурой в отдельных и независимых экспериментальных испытаниях».
"То, чего мы пытаемся достичь в проекте AGORA, заключается в том, чтобы применить одно и то же фундаментальное правило воспроизводимости к вычислительным экспериментам", - объясняет ведущий автор Джи-хун Ким, научный сотрудник Калифорнийского университета. Санта-Круз, который недавно присоединился к Калифорнийскому технологическому институту и координирует проект AGORA.«Мы позаботимся о том, чтобы галактики, смоделированные одним из нас, были воспроизведены нашими коллегами. Если они не воспроизведены, мы выясним, почему. Этот проект расскажет нам о ключевых физических компонентах, которые создают реалистичные галактики независимо от числовых кодов. также бросит вызов сообществу, чтобы приложить больше усилий для перекрестной проверки своих результатов с результатами других."
Основные проблемы
Большая часть гравитирующей массы во Вселенной - это холодная темная материя: многочисленная, пока еще не обнаруженная, медленно движущаяся, слабо взаимодействующая элементарная частица, не излучающая света. Холодная темная материя удерживает вместе отдельные галактики, такие как наш Млечный Путь, а также целые скопления галактик. Поскольку мы не можем непосредственно увидеть его в космосе или построить лабораторные эксперименты для работы с ним, одна из фундаментальных проблем астрофизики, физики элементарных частиц и космологии состоит в том, чтобы раскрыть его природу исключительно путем наблюдения за его воздействием на обычную материю. Ключевым инструментом, используемым для проверки представлений о природе холодной темной материи, являются суперкомпьютерные модели для моделирования того, как она может взаимодействовать с обычной материей для формирования галактик.
Однако большой проблемой было численное моделирование астрофизических процессов в широком диапазоне масштабов Вселенной. Моделирование суперкомпьютера разработано с использованием трех разных масштабов, относящихся к трем различным явлениям: звездообразованию, образованию галактик и крупномасштабной структуре Вселенной. Вычислительные модели звезд, формирующихся внутри галактик, обычно масштабируют гигантские молекулярные облака в объеме межзвездного пространства в десятки световых лет в поперечнике с разрешением (способностью различать детали), меньшим, чем размер нашей Солнечной системы. В этом масштабе вычислительные модели могут учитывать такие детали, как химический состав газа и пыли, взрывы сверхновых близлежащих звезд, а также ударные волны и турбулентность в межзвездном газе. Напротив, космологические симуляции, которые отслеживают эволюцию космической сети от Большого взрыва до современной модели, составляют сотни миллионов световых лет в поперечнике. В таком гигантском масштабе даже самые большие суперкомпьютеры в мире были ограничены обработкой в основном простых гравитационных взаимодействий темной материи, если расчеты должны быть выполнены в разумные сроки (месяцы) и по доступной цене.
Но есть большая научная проблема с рассмотрением только мелкомасштабного процесса звездообразования в отрыве от крупномасштабного процесса эволюции галактик: в реальной Вселенной взаимодействуют оба масштаба. Например, локальное звездообразование в отдельных галактиках активируется или подавляется тем, как галактики «вдыхают» газовую межгалактическую среду и выходят из нее. И часто ни один из типов симуляции не создает реалистично выглядящих галактик с правильной пропорцией звезд в центральной выпуклости по сравнению с плоским диском. Также до недавнего времени они не могли показать гигантские скопления, наблюдаемые в формирующихся галактиках, наблюдаемых в далекой Вселенной. Теперь симуляции галактик, охватывающие большие регионы (диаметром в несколько миллионов световых лет), могут определять области, где формируются звезды, и они начали преуспевать в создании реалистично выглядящих галактик.
Авторы AGORA разработали методологию для сравнения и сопоставления результатов с различными версиями участвующих кодов (программ для компьютерного моделирования), которые численно обрабатывают физику и вычисления значительно по-разному. Авторы отмечают, что сравнение различных платформ моделирования имеет важное значение, «чтобы убедиться, что решения являются надежными, т. Е. Что за любой успех ответственны астрофизические предположения, а не артефакты конкретных реализаций». Таким образом, для всех кодов рабочие группы проекта будут вводить общие начальные условия (определяющие массы и истории образования смоделированных галактик), использовать общие астрофизические допущения (например, интенсивность ультрафиолетового фонового излучения, скорость охлаждения газа и т. д.)., распределение масс образующихся звезд и т. д.), и сравнить результаты вычислений с помощью обычного инструмента анализа и визуализации (программа под названием yt). «Цели проекта AGORA, в широком смысле, состоят в том, чтобы повысить реалистичность и предсказательную силу симуляций галактик и понять процессы обратной связи, которые регулируют «метаболизм» галактик, - пишут авторы, - и тем самым решить давно постоянные проблемы в формировании галактик."
На самом деле
Первой важной задачей будет моделирование реалистичной изолированной дисковой галактики с использованием различных кодов и их рецептов обратной связи, варьируя как параметры обратной связи, так и разрешение. Второй задачей будет сравнение кодов в космологических симуляциях. В частности, все участвующие коды будут моделировать эволюцию восьми отдельных галактик от Большого взрыва до настоящего времени, в результате чего конечные массы будут в 1010, 1011, 1012 и 1013 раз превышать массу Солнца (диапазон от карликовой галактики до галактика массивнее Млечного Пути). Для каждой массы один набор симуляций будет моделировать галактику, имеющую историю спокойного слияния (имеющую несколько слияний с другой галактикой такого же размера), а другой будет моделировать галактику, имеющую насильственную историю слияния (имеющую много таких крупных слияний, особенно на более поздних этапах ее существования).). Последней задачей будет сравнение результатов, включая такие наблюдаемые характеристики, как форма, внутренняя структура и скорости, а также спектральное распределение энергии (распределение света на разных длинах волн) между моделями и наблюдениями реальных галактик.
AGORA - не первое подобное сравнение суперкомпьютерных симуляций эволюции галактик, но оно является наиболее полным и с самым высоким разрешением (мельчайшие детали). Предыдущими сравнительными исследованиями астрономического моделирования были проект сравнения скопления Санта-Барбара (1999 г.) и проект сравнения Aquila (2012 г.). Проект AGORA - это открытое сотрудничество, которое приветствует новых участников. AGORA обнародует все свои начальные условия и общие предположения, чтобы облегчить участие астрофизиков в сотрудничестве, а также повысить уровень моделирования галактик во всем мире.
Проект AGORA был инициирован на вводном семинаре в Калифорнийском университете в Санта-Круз в августе 2012 года при спонсорской поддержке Центра высокопроизводительных астрокомпьютеров Калифорнийского университета (UC-HiPACC). Год спустя в UCSC прошел второй семинар. Проект, в котором участвуют более 90 астрофизиков из более чем 40 учреждений в восьми странах, координируется Джи-Хуном Кимом (бывшим научным сотрудником с докторской степенью в Калифорнийском технологическом институте, а теперь работающим в Калифорнийском технологическом институте) и руководящим комитетом во главе с Пьеро Мадау и Джоэлом. Р. Примак UCSC. Другими членами руководящего комитета AGORA являются Том Абель (Стэнфорд), Ник Гнедин (Фермилаб и Чикагский университет), Лусио Майер и Ромен Тейссье (Цюрихский университет) и Джеймс Уодсли (Университет Макмастера, Канада). Ожидается, что проект AGORA будет завершен в 2015 году, и по его результатам будет подготовлено множество статей.