Att skapa flera universum för att se hur de fungerar kan vara frestande för forskare, men det är uppenbarligen inte möjligt. Det vill säga så länge du behöver fysiska universum. Om du kan nöja dig med virtuella finns det mycket fler alternativ.
Kosmologer utvecklar datorsimuleringar av universum utformade för att köras på exascale datorer. Dessa modeller utnyttjar dessa superdatorer för att ge nya insikter om vårt universums förflutna och nutid.
Forskare utvecklar dessa simuleringar för att hjälpa dem att utforska några av de största frågorna inom fysiken. Kosmologer vet att mörk materia utgör cirka 85 % av massan i universum.
Men de arbetar fortfarande med att förstå hur det påverkar själva universums struktur. Ljuset från supernovor har hjälpt oss att förstå att universum expanderar i en snabbare takt varje år. Men den "mörka energin" som orsakar denna accelererade expansion är fortfarande ett mysterium.
Simuleringar använder observationsdata från teleskop som kartlägger den nuvarande himlen för att testa olika hypoteser om hur universum utvecklats. DOE:s Office of Science stöder ett antal teleskop som tar enorma mängder data. Den första satsen av data från Dark Energy Spectroscopic Instrument i Arizona har information enbart om två miljoner himmelska objekt. När kameran Legacy Survey of Space and Time (LSST) vid Vera C. Rubin Observatory börjar samla in data kommer den att ta hundratals bilder varje natt i 10 år.
Kosmologer använder dessa data för att skapa massiva kartor över himlen som sträcker sig långt bortom vad vi kan se på jorden. Dessa "himmelundersökningar" kan hjälpa oss att svara på frågor om mörk energi, mörk materia och andra kosmiska fenomen. Simuleringarna kan också hjälpa forskare att upptäcka de bästa strategierna för att observera himlen – var de ska titta, hur ofta och hur djupt.
Utöver att analysera aktuella observationer, utvecklar kosmologer simuleringar som gör att de kan skapa många olika versioner av samma universum. Varje version är baserad på olika antaganden om hur universum utvecklats. Genom att jämföra dessa versioner med kartorna baserade på observationer kan forskare se vilka antaganden som kan ligga närmast verkligheten.
ExaSky-projektet fokuserade på att utveckla dessa simuleringar för att köras på exascale-datorer. Exascale-datorer kan utföra en miljard miljarder flyttalsoperationer (en form av beräkning) en sekund. I jämförelse skulle det ta alla i världen att göra matematiska problem i fem år i sträck för att göra ett liknande antal beräkningar för hand.
Frontier vid Oak Ridge Leadership Computing Facility (en DOE Office of Science-användaranläggning) var den första exascale-datorn som kom online i maj 2022. Nästa – Aurora vid Argonne Leadership Computing Facility (en annan användaranläggning) – kommer att lanseras snart.
Dessa datorer har både prestanda och minne för att hantera de enorma mängderna beräkningar och data som produceras av simuleringarna. Förutom stöd för användarfaciliteterna, stödde Office of Science även ExaSky genom Exascale Computing Project och Scientific Discovery through Advanced Computing-programmet.
Lyckligtvis började forskarna på ExaSky inte från början. Detta projekt byggde på två stora uppsättningar datorkoder som drev tidigare simuleringar. Koderna simulerar hur miljarder galaxer bildades och ordnade sig i det som forskare kallar det kosmiska nätet. Programmen innehåller parametrar om både struktur och fysik hos enskilda galaxer, samt hur de interagerar med sig själva och mörk materia via gravitationen.
Forskarna i ExaSky-projektet uppdaterade dessa koder för att dra full nytta av exascale-datorernas möjligheter. Exascale-datorer använder grafiska processorenheter (GPU) – liknande de som används för videospelsgrafik – för bearbetning utöver centralprocessorer (CPU) som i en vanlig bärbar dator. Att anpassa sig till denna olika form av hårdvara kräver ofta betydande revideringar av koderna.
Men att köra dessa simuleringar på exascale-datorer har stora fördelar. Dessa datorer kan köra mycket stora simuleringar mycket snabbare. Denna hastighet gör att de kan förkorta tiden för att svara på vissa problem från månader till timmar. Det kommer också att göra det möjligt för dem att ta itu med nya frågor som tidigare skulle ha varit omöjliga att göra.
Dessutom kan ExaSky-programmen simulera ett stort antal skalor, från storleken på de minsta galaxerna till ett avstånd på mindre än en femtedel av vägen till kanten av det observerbara universum. Det är en skala från 1 till 10 miljoner.
Exascale-datorer tillåter också forskare att utveckla nya modeller som kan beskriva processer som nuvarande simuleringar inte kan inkludera. Till exempel är aktiva galaktiska kärnor områden i galaxernas centrala kärnor som avger strålning. Supermassiva svarta hål orsakar dem troligen.
Även om dessa aktiva galaktiska kärnor är miljontals gånger mer massiva än vår sol, är processerna som bildar dem fortfarande på en för liten skala för att nuvarande simuleringar ska kunna inkluderas. ExaSky-simuleringarna kommer att kunna inkludera dessa fenomen med hjälp av ungefärliga modeller.
De största frågorna inom kosmologi och de största strukturerna i universum är svåra för människor att linda våra huvuden runt. Forskare som använder exascale-datorer för att köra simuleringar ger insikter i vårt universums förflutna, nutid och framtid.
Tillhandahålls av US Department of Energy
