È LA PIÙ GRANDE SUITE DI SIMULAZIONI DEL COSMO MAI PRODOTTA

AbacusSummit, l’universo al computer

Utilizzando il nuovo codice Abacus sul supercomputer Summit, è stata prodotta una suite di simulazioni cosmologiche ad alta precisione e risoluzione – con circa 60mila miliardi di particelle virtuali – che prende il nome di AbacusSummit. La suite contiene centinaia di simulazioni che mostrano come la gravità interagisce con la distribuzione della materia oscura in tutto l’universo

     26/10/2021
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L’infografica mostra l’istantanea di una delle simulazioni, in varie scale di zoom, attraverso 10 miliardi di anni luce, 1,2 miliardi di anni luce e 100 milioni di anni luce. La simulazione replica le strutture, su larga scala, del nostro universo, mostrando la rete cosmica e i colossali ammassi di galassie. Crediti: il team di AbacusSummit; layout e design di Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation.

Una nuova serie di simulazioni, che prende il nome di AbacusSummit, è stata prodotta dai ricercatori del Center for Computational Astrophysics (Cca) del Flatiron Institute di New York City e del Center for Astrophysics dell’Università di Harvard-Smithsonian. Secondo i suoi creatori, è la simulazione con più particelle che sia mai stata prodotta.

Le simulazioni cosmologiche, per gli astrofisici di oggi, sono fondamentali per studiare l’evoluzione di sistemi complessi governati da innumerevoli variabili fisiche e giocano un ruolo molto significativo perché sono l’unico “esperimento” che permette ai ricercatori di verificare le teorie sull’origine e l’evoluzione dell’universo. AbacusSummit, composta da più di 160 simulazioni, fa interagire fra loro circa 60mila miliardi di particelle, modellando il modo in cui l’attrazione gravitazionale le fa muovere all’interno di una box – una “scatola” virtuale – che rappresenta l’universo. Tali modelli, noti come simulazioni N-body (dove N indica il numero di corpi considerati nel calcolo), catturano il comportamento della materia oscura che costituisce la maggior parte del materiale dell’universo e interagisce solo tramite la gravità.

«Questa suite è così grande che probabilmente ha più particelle di tutte le altre simulazioni di N-body che siano mai state eseguite e combinate, anche se c’è ancora molto lavoro e non possiamo esserne totalmente certi», spiega Lehman Garrison, primo autore di uno degli articoli che la illustra e ricercatore al Cca. I calcoli sono stati eseguiti sul supercomputer Summit presso l’Oak Ridge Leadership Computing Facility, in Tennessee, Stati Uniti.

La suite di simulazione AbacusSummit è stata presentata in due articoli pubblicati ieri, lunedì ​​25 ottobre, su Monthly Notice of the Royal Astronomical Society e il suo utilizzo potrebbe essere determinante durante le nuove indagini del cosmo come quelle che eseguirà il Dark Energy Spectroscopic Instrument, il Nancy Grace Roman Space Telescope e la sonda Euclid. Uno degli obiettivi di queste imminenti missioni spaziali, infatti, sarà quello di migliorare le stime dei parametri cosmologici e astrofisici che determinano il comportamento e l’aspetto dell’universo, e con i miglioramenti offerti dalle missioni spaziali di nuova generazione nasce anche l’esigenza di ottenere delle simulazioni migliori, più veloci e precise.

«Le survey sulle galassie sono in grado di fornire mappe estremamente dettagliate dell’universo e abbiamo bisogno di simulazioni altrettanto ambiziose che coprano un’ampia gamma di possibili universi in cui potremmo vivere», spiega Garrison, «AbacusSummit è la prima suite di tali simulazioni cosmiche che ha sia l’ampiezza che la fedeltà confrontabili con queste sorprendenti nuove osservazioni del cielo».

Scrivere il codice Abacus non è stato semplice. Tutti gli oggetti nell’universo interagiscono gravitazionalmente tra di loro, non importa quanto siano distanti gli uni dagli altri. Ciò significa che più oggetti aggiungi, più il numero di interazioni aumenta rapidamente.

Il codice Abacus sfrutta l’elaborazione parallela del computer per accelerare i calcoli su come le particelle si muovono a causa della loro reciproca attrazione gravitazionale. Un approccio di elaborazione sequenziale (in alto) calcola l’attrazione gravitazionale tra ciascuna coppia di particelle, una per una. L’elaborazione parallela (in basso) divide invece il lavoro su più nuclei di elaborazione, consentendo il calcolo simultaneo di più interazioni di particelle. Crediti: Lucy Reading-Ikkanda/ Simons Foundation

Dunque, come funziona la suite di AbacusSummit? Se i corpi massivi in gioco sono tre o più, non esiste una soluzione generale al problema degli N-body: i calcoli disponibili sono delle semplici approssimazioni. Un approccio comune, utilizzato dagli astrofisici, consiste nel congelare il tempo, calcolare la forza totale che agisce su ciascun oggetto in base alla forza netta che subisce. Il tempo viene quindi spostato leggermente in avanti e il processo si ripete. È proprio utilizzando questo approccio che AbacusSummit ha gestito numeri colossali di particelle – attraverso un codice intelligente, un nuovo metodo numerico e la potenza di calcolo del supercomputer Summit – per eseguire più calcoli contemporaneamente. Grazie al modo in cui è progettato, Abacus può aggiornare lo stato di 70 milioni di particelle al secondo per ogni nodo del supercomputer Summit, dove ogni particella rappresenta un ammasso di materia oscura con massa pari a 3 miliardi di volte quella del Sole. Il codice è in grado persino di analizzare una simulazione mentre questa è in esecuzione, alla ricerca di agglomerati di materia oscura che indicano la presenza di galassie luminose, ricche di stelle in formazione, protagoniste delle prossime ricerche spaziali.

«La nostra idea era quella di creare un codice in grado di fornire le simulazioni necessarie a questo particolare nuovo tipo di survey delle galassie», prosegue Garrison. «Abbiamo scritto il codice così da eseguire le simulazioni molto più velocemente e in modo molto più accurato, come mai prima d’ora.»

«La cosmologia sta facendo un balzo in avanti grazie alla fusione multidisciplinare tra osservazioni spettacolari e un’informatica all’avanguardia», conclude Daniel Eisenstein, coautore degli articoli e membro della team del Dark Energy Spectroscopic Instrument. «Il prossimo decennio promette di essere un’era meravigliosa per lo studio dell’evoluzione storica dell’universo».

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