• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Kosmoskod hjälper till att undersöka märkligheter i rymden

    Här visas en multifysisk simulering av en Active Galactic Nucleus (AGN) jet som kolliderar med och utlöser stjärnbildning i ett intergalaktiskt gasmoln (rött indikerar jetmaterial, blått är neutral väte [H I] gas, och grönt är kallt, molekylär väte [H_2] gas. Kredit:Chris Fragile

    Svarta hål skapar ett stort rymdmysterium. De är så stora att ingenting, inte ens ljus, kan fly ett svart hål när det väl kommer tillräckligt nära. Ett stort mysterium för forskare är att det finns bevis på kraftfulla strålar av elektroner och protoner som skjuter ut från toppen och botten av några svarta hål. Ändå vet ingen hur dessa strålar bildas.

    Datorkod som heter Cosmos ger nu bränsle till superdatorsimuleringar av svarta håls jetstrålar och börjar avslöja mysterierna med svarta hål och andra märkligheter i rymden.

    "Kosmos, roten till namnet, kom från det faktum att koden ursprungligen designades för att göra kosmologi. Det har förvandlats till att göra ett brett spektrum av astrofysik, " förklarade Chris Fragile, professor vid institutionen för fysik och astronomi vid College of Charleston. Fragile hjälpte till att utveckla Cosmos-koden 2005 samtidigt som han arbetade som postdoktor vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), tillsammans med Steven Murray (LLNL) och Peter Anninos (LLNL).

    Fragile påpekade att Cosmos ger astrofysiker en fördel eftersom det har legat i framkanten av generell relativistisk magnetohydrodynamik (MHD). MHD-simuleringar, magnetismen hos elektriskt ledande vätskor som svarta håls jetstrålar, lägga till ett lager av förståelse men är notoriskt svåra för även de snabbaste superdatorerna.

    "Det andra området som Cosmos alltid har haft fördelar inom är att det har många fysikpaket i sig, " fortsatte Fragile. "Detta var Peter Anninos första motivation, eftersom han ville ha ett beräkningsverktyg där han kunde lägga in allt han arbetat med genom åren." Fragile listade några av paketen som inkluderar kemi, kärnvapenbränning, Newtonsk gravitation, relativistisk gravitation, och även strålning och strålningskylning. "Det är en ganska unik kombination, "Bräcklig sa.

    Den nuvarande iterationen av koden är CosmosDG, som använder diskontinuerliga Gelarkin-metoder. "Du tar den fysiska domänen som du vill simulera, " förklarade Fragile, "och du delar upp det i ett gäng små, små beräkningsceller, eller zoner. Du löser i princip ekvationerna för vätskedynamik i var och en av dessa zoner." CosmosDG har tillåtit mycket högre noggrannhetsordning än någonsin tidigare, enligt resultat publicerade i Astrofysisk tidskrift , augusti 2017.

    "Vi kunde visa att vi uppnådde många storleksordningar mer exakta lösningar i samma antal beräkningszoner, " sade Fragile. "Så, speciellt i scenarier där du behöver mycket exakta lösningar, CosmosDG kan vara ett sätt att få det med mindre beräkningskostnader än vi skulle ha behövt använda med tidigare metoder."

    XSEDE ECSS hjälper Cosmos att utvecklas

    Sedan 2008, Texas Advanced Computing Center (TACC) har tillhandahållit beräkningsresurser för utvecklingen av Cosmos-koden – cirka 6,5 ​​miljoner superdatortimmar på Ranger-systemet och 3,6 miljoner kärntimmar på Stampede-systemet. XSEDE, eXtreme Science and Engineering Discovery Environment finansierad av National Science Foundation, belönade Fragiles grupp med tilldelningen.

    "Jag kan inte berömma nog hur meningsfulla XSEDE-resurserna är, " Sa Fragile. "Vetenskapen jag gör skulle inte vara möjlig utan sådana resurser. Det är en skala av resurser som verkligen en liten institution som min aldrig skulle kunna stödja. Det faktum att vi har dessa resurser på nationell nivå möjliggör en enorm mängd vetenskap som bara inte skulle bli gjord annars."

    Och faktum är att upptagna forskare ibland kan använda en hand med sin kod. Förutom tillgång, XSEDE tillhandahåller också en pool av experter genom ansträngningen Extended Collaborative Support Services (ECSS) för att hjälpa forskare att dra full nytta av några av världens mest kraftfulla superdatorer.

    Fragile har nyligen tagit hjälp av XSEDE ECSS för att optimera CosmosDG-koden för Stampede2, en superdator med kapacitet för 18 petaflops och flaggskeppet för TACC vid University of Texas i Austin. Stampede2 har 4, 200 Knights Landing (KNL) noder och 1, 736 Intel Xeon Skylake-noder.

    Molekylära moln G2 (orange, vänster) slits isär när det närmar sig ett svart hål (vitt, höger) i denna Cosmos-kodsimulering. Kredit:Chris Fragile

    Dra fördel av Knights Landing och Stampede2

    KNL:s många kärnarkitektur presenterar nya utmaningar för forskare som försöker få den bästa beräkningsprestanda, enligt Damon McDougall, en forskarassistent vid TACC och även vid Institutet för beräkningsteknik och vetenskaper, UT Austin. Varje Stampede2 KNL-nod har 68 kärnor, med fyra hårdvarugängor per kärna. Det är många rörliga delar att samordna.

    "Detta är ett datorchip som har många kärnor jämfört med några av de andra chipsen man kan ha interagerat med på andra system, "McDougall förklarade. "Mer uppmärksamhet måste ägnas åt designen av mjukvara för att fungera effektivt på dessa typer av chips."

    Genom ECSS, McDougall har hjälpt Fragile att optimera CosmosDG för Stampede2. "Vi främjar en viss typ av parallellism, kallas hybrid parallellism, där du kan blanda MPI-protokoll (Message Passing Interface), vilket är ett sätt att skicka meddelanden mellan beräkningsnoder, och OpenMP, vilket är ett sätt att kommunicera på en enda beräkningsnod, "McDougall sa. "Att blanda dessa två parallella paradigm är något som vi uppmuntrar för dessa typer av arkitekturer. Det är den typen av råd vi kan hjälpa till att ge och hjälpa forskare att implementera på Stampede2 genom ECSS-programmet."

    "Genom att minska hur mycket kommunikation du behöver göra, "Bräcklig sa, "det är en av idéerna om var vinsterna kommer att komma ifrån på Stampede2. Men det innebär lite arbete för äldre koder som vår som inte byggdes för att använda OpenMP. Vi måste bygga om vår kod för att inkludera några OpenMP ringer. Det är en av sakerna Damon har hjälpt oss att försöka göra den här övergången så smidigt som möjligt."

    McDougall beskrev ECSS-arbetet hittills med CosmosDG som "mycket begynnande och pågående, " med mycket initialt arbete med att hitta minnesallokering "hot spots" där koden saktar ner.

    "En av de saker som Damon McDougall verkligen har varit hjälpsam med är att hjälpa oss att göra koderna mer effektiva och hjälpa oss att använda XSEDE-resurserna mer effektivt så att vi kan göra ännu mer vetenskap med den nivå av resurser som vi får, "Bräcklig tillade.

    Black Hole Wobble

    En del av vetenskapen Fragile och kollegor redan har gjort med hjälp av Cosmos-koden har hjälpt till att studera accretion, fall av molekylära gaser, och rymdskräp i ett svart hål. Ansamling av svarta hål driver dess jetstrålar. "En av de saker jag antar att jag är mest känd för är att studera accretion-skivor där skivan lutar, " förklarade Fragile.

    Svarta hål snurrar. Och det gör skivan av gaser och skräp som omger den och faller in. de snurrar på olika rotationsaxlar. "Vi var de första som studerade fall där skivans rotationsaxel inte är i linje med det svarta hålets rotationsaxel, " Fragile said. General relativity shows that rotating bodies can exert a torque on other rotating bodies that aren't aligned with it.

    Fragile's simulations showed the black hole wobbles, a movement called precession, from the torque of the spinning accretion disk. "The really interesting thing is that over the last five years or so, observers—the people who actually use telescopes to study black hole systems—have seen evidence that the disks might actually be doing this precession that we first showed in our simulations, " Fragile said.

    Fragile and colleagues use the Cosmos code to study other space oddities such as tidal disruption events, which happen when a molecular cloud or star passes close enough that a black hole shreds it. Other examples include Minkowski's Object, where Cosmos simulations support observations that a black hole jet collides with a molecular cloud to trigger star formation.

    Golden Age of Astronomy and Computing

    "We're living in a golden age of astronomy, " Fragile said, referring to the wealth of knowledge generated from space telescopes like Hubble to the upcoming James Webb Space Telescope, to land-based telescopes such as Keck, och mer.

    Computing has helped support the success of astronomy, Fragile said. "What we do in modern-day astronomy couldn't be done without computers, " he concluded. "The simulations that I do are two-fold. They're to help us better understand the complex physics behind astrophysical phenomena. But they're also to help us interpret and predict observations that either have been, can be, or will be made in astronomy."


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com