Image Image Image Image Image Image Image Image Image Image

Новости астрономии и астрофизики — The Universe Times | 27.07.2017

Scroll to top

Top

Нет комментариев

Проект АГОРА - универсальное моделирование галактик

Проект АГОРА — универсальное моделирование галактик

| On 12, Дек 2013

Попытки просчитать на суперкомпьютерах жизненный цикл галактик начались уже на заре компьютерной эры. И в течение всего этого времени программисты и астрономы сталкивались с различными проблемами при моделировании. Чаще всего это были проблемы «железного» характера — компьютерам не хватало мощности для точного моделирования процессов формирования и развития галактик. В настоящее время современные вычислительные станции позволяют вполне реально моделировать развитие различных объектов космоса.

Сейчас математики задумываются над другой проблемой: а что если уровень нашего незнания свойств темной материи, существование которой косвенно подтверждается многими экспериментами, так же накладывает ограничения на скорость моделирования, как и ограничения по вычислительной мощности компьютерных станций? Разрешить этот вопрос призван проект АГОРА (AGORA project — Assembling Galaxies of Resolved Anatomy).

«Воспроизводимость — один из основополагающих принципов в научных экспериментах  — говорит Цзи-хун Ким, сотрудник Калифорнийского университета, координатор проекта АГОРА, — следствие из эксперимента может быть установлено как научные знания только после того, как результат можно будет воспроизвести другими исследователями в пределах научного сообщества, согласно той же самой процедуре в независимых экспериментальных испытаниях. То, что мы пытаемся достигнуть по проекту АГОРА — применимость фундаментального правила воспроизводимости к будущим вычислительным экспериментам. Мы должны удостовериться, что галактики, смоделированные нами, могут быть воспроизведены нашими коллегами. Если это у них не получится, надо разобраться почему. Этот проект должен указать нам на ключевые компоненты физики моделирования, которые приводят к реалистичному созданию моделей, независимо от применяемых методов компьютерного вычисления».

Фундаментальные задачи проекта

Как следует из современных представлений, большая часть вещества, создающего гравитационное взаимодействие, а, следовательно, обладающего массой, состоит из темной материи — таинственного, не обнаруженного пока еще вещества, слабо взаимодействующего с видимым нами миром и не излучающей света. Темная материя может сдерживать отдельные галактики, как наш Млечный Путь, от потери их звезд и звездных скоплений, а галактические кластеры удерживаются друг с другом так же благодаря этому таинственному веществу. Поскольку мы не можем непосредственно наблюдать темную материю в космосе и не можем поставить лабораторный эксперимент, единственное что мы можем сделать — изучать ее проявление на обычной материи, обладающей массой. Единственный, он же и ключевой инструмент, который можно использовать, чтобы проверить наши теории о природе темной материи — моделирование на суперкомпьютерах.

Однако, существует одна большая проблема — возможность смоделировать требуемые эффекты в различных масштабных факторах, существующих во вселенной. В настоящее время суперкомпьютерное моделирование проводятся в трех масштабах: формирование звезд, формирование галактик и формирование крупных галактических структур. Моделирование звезд позволяет во всех подробностях изучить структуру различных молекулярных облаков размерами в несколько световых лет с разрешением, меньшим чем размеры Солнечной системы. В таком масштабе удается понять химический состав газа и пыли, вероятность взрывов сверхновых звезд и появления ударных волн в межзвездном газе. А в масштабе, сравнимом с размерами видимой вселенной, в котором можно изучать гигантские структуры, наподобие галактических нитей. Галактические нити — это самые большие космические структуры во Вселенной в форме нитей со средней длиной 50 — 80 мегапарсек (163 — 260 миллионов световых лет). Они формируют границы между большими пустотами (войдами). Галактические нити также называют группами сверхскоплений галактик или великими стенами. В таком гигантском масштабе даже самые мощные суперкомпьютеры были бы ограничены лишь расчетами простых гравитационных взаимодействий темной материи, да и то в том случае, если процесс моделирования можно было бы полностью провести в течение месяцев и с некосмическим финансированием.

Галактические нити

Пример распределения галактических нитей и пустот, которые, как предполагается, заполнены темной материей. Результат компьютерного моделирования, масштаб 520 миллионов световых лет, глубина 100 миллионов световых лет. Источник: Klaus Dolag

В связи с этим возникает другая научная проблема. Вариант рассмотрения мелкомасштабных процессов формирования звезд в отрыве от крупномасштабного процесса формирования галактик приведет к заведомо не достоверным результатам. Действительно, в видимой нами вселенной оба этих процесса тесно взаимодействуют друг с другом. Например, процесс звездообразования в отдельной галактике может подавляться или усиливаться в зависимости от состояния межгалактической среды. И уж точно никакой процесс моделирования не создаст реалистично выглядящих галактик с центральной выпуклостью и почти плоскими галактическим рукавами. Сейчас, моделирование процессов роста галактик может проводится на расстояниях в несколько миллионов световых лет, да и то с целью изучения областей формирования звезд.

Авторы проекта АГОРА используют свою методологию, основанную на сравнении и сопоставлении результатов, полученных ранее от различных программ компьютерного моделирования, которые могут существенно отличаться друг от друга. Такое сравнение различных математических платформ важно с точки зрения проверки того, что используемые решения здравые и при любых условиях могут привести к реалистичным результатам, а не являются подогнанными под результат. Для исключения таких моделей рабочая группа заведет общие для всех проектов начальные условия, такие как интенсивность ультрафиолетового фонового излучения, уровня, при котором газ охлаждается, распределение масс звезд, которые формируются и так далее и сравнит полученные результаты с общим инструментом анализа и визуализации.

Реальные задачи

Первая и самая главная задача будет состоять в том, чтобы смоделировать реалистичную изолированную дискообразную галактику, используя различные математические модели и анализируя данные от них с внесением изменений в начальные условия. Вторая задача заключается в сравнении создаваемых космологических моделей. По этой задаче все участвующие алгоритмы смоделируют восемь разных изолированных галактик возрастом от Большого Взрыва до наших дней, с конечными массами в 1010, 1011, 1012 и 1013 масс Солнца. Этот диапазон масс начинается карликовыми галактиками и заканчивается немного более массивными, чем Млечный Путь. Для каждой массы необходимо будет провести расчет эволюции галактики без воздействия внешних факторов, а затем — при активном слиянии моделируемой галактики с такими же по размерам как и она, особенно ближе к нашему времени. Третьей задачей будет сравнение полученных результатов в плане формы, внутренней структуры и распределения света в различных длинах волн с наблюдениями за реальными галактиками.

Сравнение моделей галактик

Сравнение моделей галактик, полученных в результате использования алгоритмов, участвующих в проекте АГОРА, при задании одинаковых начальных условий. Есть видимые различия. Источник: Samuel Leitner (ART-II), Ji-hoon Kim (ENZO), Oliver Hahn (GADGET-2-CFS), Keita Todoroki (GADGET-3), Alexander Hobbs (GADGET-3-CFS and GADGET-3-AFS), Sijing Shen (GASOLINE), Michael Kuhlen (PKDGRAV-2), Romain Teyssier (RAMSES)

Проект АГОРА не первая попытка сравнить результаты суперкомпьютерного моделирования развития галактик, но он является самым всесторонним и самым подробным с точки зрения учета мельчайших деталей. предыдущие проекты проводились в 1999 году — проект Santa Barbara Cluster comparison project, и в 2012 году — Aquila comparison project. Как ожидается, проект АГОРА закончится в 2015 году публикацией полученных результатов.

Подготовлено по пресс-релизу  University of California.

Оставьте комментарий

Добавить комментарий

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru Лицензия Creative Commons «The Universe Times» Google