https://bodybydarwin.com
Slider Image

Dins la major simulació de l’univers que s’ha creat mai

2020

Imagineu-vos que se’ls demana que resolgués un problema d’àlgebra complex que és aproximadament un 95 per cent de variables i només un cinc per cent de valors coneguts. Aquesta és una analogia aproximada potser, però fa una imatge força acurada de la tasca que han de fer front els cosmòlegs moderns. La línia de pensament prevalent diu que l’univers està compost majoritàriament per matèria fosca i energia fosca, dues entitats misterioses que mai no han estat ni observades ni mesurades directament tot i que les matemàtiques cosmològiques insisteixen que són reals. Podem veure els seus efectes percebuts, però no els podem veure directament i, per tant, no podem veure l'estructura real del nostre propi univers.

I així fem models. El mes que ve, el tercer supercomputador més ràpid del món (conegut com Mira), completarà les proves del seu nou programari actualitzat i començarà a executar les simulacions cosmològiques més grans mai realitzades al Laboratori Nacional Argonne. Aquestes simulacions són massives, agafant quantitats enormes de dades de les darreres generacions d’enquestes cel·lulars d’alta fidelitat i la converteixen en models de l’univers més grans, de més alta resolució i més estadísticament precisos que els que s’han arribat abans. Quan s’acabi, els científics haurien de tenir unes visualitzacions sorprenents de gran qualitat de l’anomenada “web còsmica” que connecta l’univers tal i com l’entenem. I tindran els millors models estadístics del cosmos que els cosmòlegs han vist mai.

Principalment ho fem perquè puguem convertir les darreres dades de les enquestes del cel en alguna cosa significativa. Els científics esperen que aquests models responguin a algunes preguntes urgents sobre la matèria fosca, l’energia fosca i l’estructura general del cosmos. Sobretot són inquietants les qüestions sobre l’energia fosca, que suposa impulsar l’acceleració de l’expansió de l’univers i, de fet, és gairebé tot el que sabem.

"" L'energia fosca "és només una característica tècnica per dir" no tenim ni idea de què passa "." L'energia fosca és confusa perquè l'univers no s'està expandint, ja ho sabíem, però aquesta expansió també s'està accelerant, cosa que és molt inesperada, diu Salman Habib, físic del laboratori nacional d'Argonne i investigador principal de la simulació multi-petaflop del cel d'Argonne. "La causa d'aquesta acceleració és el que la gent denomina" energia fosca ", però això és només una drecera tècnica. per haver dit "no tenim ni idea de què passa".

Aquestes simulacions tenen com a objectiu donar llum sobre aquesta expansió que es produeix al nostre voltant. Però igual d’important, estan orientats a definir exactament el que no passa. Hi ha moltes teories sobre l’energia fosca; podria ser un nou tipus de camp a l’univers que encara no hem descobert, o una característica de la gravetat a grans escales que encara no entenem. Podria tractar-se d'una mica de la relativitat general que no hem pensat. La darrera plantilla de dades d’enquestes cel·lulars d’alta resolució hauria de permetre a l’equip d’Argonne modelar efectes molt subtils de l’energia fosca al cosmos, permetent així una comprensió més profunda de la naturalesa de l’energia fosca mateixa. Això, al seu torn, hauria d’ajudar els cosmòlegs a descartar possibles explicacions, o fins i tot a classes senceres d’explicacions, ja que intenten fer zero sobre una teoria més perfecta sobre com funciona l’univers.

No ho podem, perquè no podem. En realitat no podem definir els límits de l’univers amb aquests propòsits, i els models informàtics per naturalesa necessiten una sèrie de restriccions. Però podem simular fragments més grans i més grans del cosmos gràcies a salts regulars en la computació de la potència i enquestes del cel cada cop millors, i a partir d’aquestes simulacions cada cop més grans i de més alta resolució podem extrapolar coses de l’univers més gran. Això és important.

Segons Katrin Heitmann, una altra investigadora del laboratori nacional d’Argonne i co-investigadora d’Habib en el projecte de simulació Mira, s’està realitzant simulacions com les que s’estan executant abans, però ara arribem a un règim on hem de ser cada cop més precisos. "La propera generació de dades que provenen dels més sofisticats instruments d'investigació del cel que els astrònoms han creat mai, com la càmera de l'energia fosca, per exemple, que va obtenir la primera llum el mes passat, contindrà més dades (reflectint milers de milions de galàxies observades) i menys errors estadístics inherents, de manera que si bé simulacions anteriors com el bonic articulat projecte de simulació del mil·lenni han donat excel·lents visualitzacions i models de distribució de la matèria a tot el cosmos, aquests nous i millors conjunts de dades requereixen una nova i millor arquitectura informàtica per afrontar-los.

Podem construir arquitectures per fer front a aquests nous conjunts de dades gràcies en gran mesura a la Llei de Moore. Cada tres anys més o menys, la supercomputació global experimenta un augment aproximat de deu vegades en la potència informàtica. Això permet que centres de supercomputació com Argonne puguin construir màquines (o actualitzar les antigues) que puguin superar amb força el que es trobava a les avantguardes del camp fa només un any o dos. El sistema Mira de deu petaflop (és a dir, deu quadrillions per segon), el sistema Mira és un exemple d’aquest fet, i Mira serà el que permetrà a Argonne executar les majors simulacions de matèria fosca mai realitzades.

Visualment, semblaran així:

"promo_image": {// s1.dmcdn.net/Tud29/x240-dBF.jpg titulars ": descripció": distribuïdor ":

Aquesta visualització prové d’unes proves preliminars de la nova arquitectura informàtica, coneguda com a HACC (per a Hardware / Hybrid Accelerated Cosmology Code - més sobre això més endavant). I el que estàs veient és essencialment un bloc tridimensional de l’univers i la forma en què la matèria es distribueix al llarg d’ell, segons les dades obtingudes de diverses fonts d’enquestes cel·lulars.

"El que estàs buscant és la web còsmica que Habib diu." Podeu veure clarament aquests grans buits i aquests filaments i aquestes agrupacions. El que realment veieu és la densitat de la matèria. Les parts descabellades són on la densitat és més alta i és allà on es troben les galàxies. "En realitat no es poden veure les galàxies; aquesta és una representació més que un veritable model òptic. En els grups més petits no hi pot haver galàxies a tot. En els cúmuls de grandària mitjana, n’hi podria haver un o més. Els cúmuls més grans representen cúmuls de galàxies on poden residir milers de galàxies.

Aquest és un marc fix del cosmos tal com el veiem actualment, però les simulacions previstes per a Mira construiran una mica més com una pel·lícula de l’univers que remuntarà milers de milions d’anys quan l’univers era molt més dens, com un milió de vegades més dens. del que és ara. Els astrònoms poden veure aquesta pel·lícula en detalls extremadament alts per veure com es desenvolupava l’univers al llarg del temps, i així observar els papers que tenia la matèria fosca i sobretot l’energia fosca en la formació del nostre univers actual. I, com que és un model informàtic, poden jugar amb els paràmetres d’aquest univers virtual per posar a prova les seves teories. Esperem que Mira demostri que encara es mantenen algunes teories. Com a mínim, hauria de demostrar algunes teories poc probables.

Per un, la seva resolució i detall inèdits, que ja hem descrit anteriorment. Però, quan es refereix el futur del modelat de supercomputadors, també és extremadament important l’arquitectura HACC. HACC es va desenvolupar des de zero per a aquest projecte i està optimitzat per a Mira. Però es va dissenyar perquè es pugui optimitzar per a altres supercomputadors –i altres aplicacions de supercomputadors–, una raresa per a aquest tipus de programari.

Per què? Cada supercomputador està dissenyat una mica diferent, i cadascun té les seves pròpies funcions i idiosincràsia. A diferència dels programes escrits en ordinadors d'escriptori, per exemple, el programari escrit per a supercomputadors s'escriu generalment per a la màquina específica on s'utilitzarà. No funcionarà òptimament (o en absolut) si es canvia a una altra màquina. De manera que cada vegada que els supercomputadors salten cap a una generació, un projecte de recerca en curs ha d’escriure nou programari per a una nova màquina. "Durant una dècada de desenvolupament del codi, és possible que tres arquitectures informàtiques diferents vinguin i vinguin a dir Habib." Així és la màgia de l'HACC ".

HACC no és tant de màgia com de disseny intel·ligent. La seva construcció modular significa que una part del programari subjacent funciona igual en totes les màquines, de manera que és molt més fàcil transportar-la d'una màquina (o generació de màquines) a una altra. L’altra peça és un mòdul de programari connectable que es pot optimitzar per a cada màquina en concret. Això redueix dràsticament la quantitat de temps que han de dedicar els investigadors a l'espera del desenvolupament de nous codis abans de tirar endavant la seva recerca. I quan apareix un nou ordinador en línia, com el nou Titan de 20 petaflop de Oak Ridge National Labs, és relativament senzill que els investigadors apliquin ràpidament salts en potència informàtica a la seva recerca.

El seu caràcter personalitzable i optimitzable també significa que es pot aplicar HACC a molts projectes de recerca més que només per al que va ser dissenyat originalment. I és que els creadors volen que el pirateig HACC. "Som un equip reduït, per la qual cosa no podem explotar realment totes les capacitats científiques d'aquest codi, ni necessitem que Habib digui de l'HACC, i afegeix" és una mena de codi que els altres equips necessiten per escriure, no només per a la cosmologia, però per a altres aplicacions. "Habib, Heitmann i els seus col·legues veuen HACC com un recurs comunitari, no només en el sentit que pensen compartir els seus resultats de cosmologia lliurement amb la comunitat científica, sinó també en el sentit que el programari en si es pot modificar i adaptar a qualsevol tipus d'aplicacions de model d'altres camps.

O, almenys, la possibilitat és molt, molt remota. Però influirà en algunes teories existents, en enviarà altres al descartat, i en cas contrari, centrarà la línia de pensament actual i les línies de dubtes futures en aquestes forces misterioses. I en la crisi, aquestes simulacions ajudaran els investigadors a continuar perfeccionant les eines que utilitzen per aprofitar l'explosió en curs de potència de supercomputació per obtenir beneficis científics significatius. Si Mira soluciona el misteri de l'energia fosca durant els propers mesos, ens sorprendrà. Ens sorprendrà igualment si no fa avançar sensiblement el camp de la cosmologia teòrica. I si l’HACC no ajuda a accelerar el ritme de la ciència dels superordenadors, ens quedaríem igual de sorpresos.

Correcció: una versió anterior d'aquesta història afirmava de manera imprecisa que Salman Habib i Katrin Heitmann són investigadors del laboratori nacional de Los Alamos. Actualment treballen al Laboratori Nacional Argonne. La història ha estat ben modificada per reflectir-ho.

11 fets de fotografia super nerd sobre les càmeres que vam portar a la lluna

11 fets de fotografia super nerd sobre les càmeres que vam portar a la lluna

El moviment anti-vax es troba entre les 10 principals amenaces sanitàries mundials d’aquest any

El moviment anti-vax es troba entre les 10 principals amenaces sanitàries mundials d’aquest any

Com evitar portar els insectes del llit de vacances

Com evitar portar els insectes del llit de vacances