Sciencemag.cz
Doporučujeme
Největší soubor simulací vesmíru modeluje celkem chování 60 bilionů (trillions) částic – ve smyslu kusů hmoty/těles, nikoliv částic elementárních. Má jít o nejdále dotažený kosmologický projekt tohoto druhu. Simulace AbacusSummit vytvořili vědci z Flatiron Institute Center for Computational Astrophysics (New York) a Center for Astrophysics / Harvard & Smithsonian. Skládá se z více než 160 jednotlivých simulací a modeluje, jak gravitační přitažlivost způsobuje pohyb částic ve vesmíru tvaru krabice. Model by měl vlastně odpovídat chování temné hmoty, o niž předpokládáme, že se sebou i s běžnou hmotou interaguje pouze gravitačně.
V Monthly Notices of the Royal Astronomical Society bylo na toto téma publikováno hned několik článků. Hlavní autor Lehman Garrison z Center for Computational Astrophysics dokonce tvrdí, že jejich simulace jsou větší, než všechny ostatní obdobné dohromady.
Jak známo, už problém 3 těles nemá analytické řešení, a to ani v klasické (nerelativistické) fyzice. Proto se provádí numerická simulace. Spočítáme, jak ostatní tělesa působí na jedno z nich a hýbneme s ním o kousek podle působící síly, totéž pak pro další tělesa. Pak vezmeme soubor těchto částic po krátkém čase a vše zopakujeme (tj. předpokládáme, jako by ostatní částice působící na jednu částici v malém časovém okamžiku nezměnily svou polohu a síla byla konstantní). Samotné zpracování dat ovšem probíhá paralelně, distribuuje se mezi více výpočetních jader.
Simulace podle studie mj. ukazují, jak gravitace formovala rozložení temné hmoty ve vesmíru. Úvodní obrázek ukazuje snímek jedné ze simulací v různých měřítkách zvětšení: 10 miliard světelných let, 1,2 miliardy světelných let a 100 milionů světelných let. Modelování vede k výsledkům, které cca odpovídají velkorozměrným strukturám našeho vesmíru, jako je kosmická pavučina a obří kupy galaxií.
Výpočty probíhaly na superpočítači Summit amerického ministerstva energetiky v Oak Ridge Leadership Computing Facility v Tennessee; v době provádění výpočtu šlo o vůbec nejrychlejší počítače na světě (PH: aktuálně je podle žebříčku Top500.org na 2. místě). Summit obsahuje velké množství grafických procesorů, jejichž předností je právě rychlé paralelní zpracování dat. Samostatnou kapitolou projektu pak byly vlastní simulační algoritmy. Abacus dokáže aktualizovat 70 milionů částic za sekundu na jeden uzel superpočítače Summit; každá částice přitom představuje chuchvalec temné hmoty o hmotnosti 3 miliard hmotností Slunce.
Simulace tohoto typu se budou hodit, až získáme data ze sondy Euclid a zařízení Dark Energy Spectroscopic Instrument a Nancy Grace Roman Space Telescope. Bude pak možné odhadovat, jaké konkrétní hodnoty parametrů (temná energie apod.) nejlépe odpovídají pozorováním.
Nina A Maksimova et al, AbacusSummit: A Massive Set of High-Accuracy, High-Resolution N-Body Simulations, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (2021). DOI: 10.1093/mnras/stab2484
Zdroj: Simons Foundation / Phys.org
Poznámka PH: Když 1 „částice“ odpovídá tak velké hmotnosti, simulace pak popisuje jak hypotetickou temnou hmotu, tak i hmotu běžnou (protože na této úrovni už je gravitace zcela dominující silou)? Proto také výsledkem jsou struktury pozorované ve vesmíru, což jsou struktury běžné hmoty (vše by platilo, i kdyby žádná temná hmota neexistovala a třeba platila teorie MOND; nicméně se zřejmě předpokládá, že pokud temná hmota existuje, pak je rozložena nějak podobně jako ta běžná).
