AbacusSummit, el mayor conjunto de simulaciones del universo

Detalle de simulación cosmolólgica con AbacusSummit - SIMONS FOUNDATION

   MADRID, 25 Oct. (EUROPA PRESS) -

   Con un registro colectivo de casi 60 billones de partículas, un conjunto recientemente publicado de simulaciones cosmológicas es, con mucho, el más grande jamás producido.

   La suite de simulación, denominada AbacusSummit, será fundamental para extraer secretos del universo de los próximos estudios del cosmos, predicen sus creadores. Presentan AbacusSummit en varios artículos publicados el 25 de octubre en Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

   AbacusSummit fue producido por investigadores del Centro de Astrofísica Computacional (CCA) del Instituto Flatiron en la ciudad de Nueva York y el Centro de Astrofísica | Harvard y Smithsonian. Compuesto por más de 160 simulaciones, modela cómo la atracción gravitacional hace que las partículas en un universo en forma de caja se muevan. Dichos modelos, conocidos como simulaciones de N-cuerpos, capturan el comportamiento de la materia oscura, que constituye la mayor parte del material del universo e interactúa solo a través de la gravedad.

   "Esta suite es tan grande que probablemente tenga más partículas que todas las demás simulaciones de N-cuerpos que se hayan realizado combinadas, aunque es una afirmación difícil de asegurar", dice en un comunicado Lehman Garrison, autor principal de uno de los nuevos artículos. y un becario de investigación CCA.

   Garrison dirigió el desarrollo de las simulaciones de AbacusSummit junto con la estudiante graduada Nina Maksimova y el profesor de astronomía Daniel Eisenstein, ambos del Centro de Astrofísica. Las simulaciones se ejecutaron en la supercomputadora Summit del Departamento de Energía de EE.UU. en las instalaciones de computación de Oak Ridge en Tennessee.

   AbacusSummit pronto será útil, ya que varios estudios producirán mapas del cosmos con detalles sin precedentes en los próximos años. Estos incluyen el Instrumento Espectroscópico de Energía Oscura, el Telescopio Espacial Roman y la nave espacial Euclid. Uno de los objetivos de estas misiones de gran presupuesto es mejorar las estimaciones de los parámetros cósmicos y astrofísicos que determinan cómo se comporta y se ve el universo.

   Los científicos harán esas estimaciones mejoradas comparando las nuevas observaciones con simulaciones por computadora del universo con diferentes valores para los diversos parámetros, como la naturaleza de la energía oscura que separa el universo. Con las mejoras ofrecidas por las encuestas de próxima generación surge la necesidad de mejores simulaciones, dice Garrison.

   "Los estudios de galaxias están entregando mapas tremendamente detallados del universo, y necesitamos simulaciones igualmente ambiciosas que cubran una amplia gama de universos posibles en los que podríamos vivir", dice en un comunicado. "AbacusSummit es el primer conjunto de simulaciones de este tipo que tiene la amplitud y la fidelidad para comparar con estas asombrosas observaciones".

   El proyecto fue abrumador. Los cálculos de N-cuerpos, que intentan calcular los movimientos de objetos, como planetas, que interactúan gravitacionalmente, han sido uno de los principales desafíos en el campo de la física desde los días de Isaac Newton. Son complicados porque cada objeto interactúa con todos los demás, sin importar qué tan lejos estén. Esto significa que a medida que agrega más objetos, el número de interacciones aumenta rápidamente.

   No existe una solución general al problema de N-cuerpos para tres o más cuerpos masivos. Los cálculos disponibles son simplemente aproximaciones. Un enfoque común es congelar el tiempo, calcular la fuerza total que actúa sobre cada objeto y luego empujar cada uno en función de la fuerza neta que experimenta. Luego, el tiempo se adelanta un poco y el proceso se repite.

   Con ese enfoque, AbacusSummit manejó cantidades colosales de partículas gracias a un código inteligente, un nuevo método numérico y mucha potencia de cálculo. La supercomputadora Summit era la más rápida del mundo en el momento en que el equipo realizó los cálculos.

   El equipo diseñó su código base, llamado Abacus, para aprovechar al máximo el poder de procesamiento paralelo de Summit, mediante el cual se pueden ejecutar múltiples cálculos simultáneamente. Summit cuenta con muchas unidades de procesamiento de gráficos, o GPU, que sobresalen en el procesamiento paralelo.

   La ejecución de cálculos de N cuerpos utilizando procesamiento paralelo requiere un diseño de algoritmo cuidadoso porque una simulación completa requiere una cantidad sustancial de memoria para almacenar. Eso significa que Abacus no puede simplemente hacer copias de la simulación para que trabajen diferentes nodos de la supercomputadora. Entonces, el código divide cada simulación en una cuadrícula.

   Un cálculo inicial proporciona una aproximación justa de los efectos de partículas distantes en cualquier punto dado de la simulación. (Las partículas distantes juegan un papel mucho más pequeño que las partículas cercanas.) Abacus luego agrupa las células cercanas y las divide para que la computadora pueda trabajar en cada grupo de forma independiente, combinando la aproximación de partículas distantes con cálculos precisos de partículas cercanas.

   Para simulaciones grandes, los investigadores encontraron que el enfoque de Abacus ofrece una mejora significativa en otras bases de código de N-body, que dividen las simulaciones de manera irregular en función de la distribución de partículas. Las divisiones uniformes utilizadas por AbacusSummit hacen un mejor uso del procesamiento paralelo, informan los investigadores. Además, la regularidad del enfoque de la cuadrícula de Abacus permite calcular una gran cantidad de la aproximación de partículas distantes incluso antes de que comience la simulación.

   Gracias a su diseño, Abacus puede actualizar 70 millones de partículas por segundo por nodo de la supercomputadora Summit (cada partícula representa un grupo de materia oscura con 3.000 millones de veces la masa del sol). El código puede incluso analizar una simulación mientras se está ejecutando, buscando parches de materia oscura indicativos de las galaxias brillantes formadoras de estrellas que son el foco de los próximos estudios.

   "Nuestra visión era crear este código para entregar las simulaciones que se necesitan para esta nueva marca particular de estudio de galaxias", dice Garrison. "Escribimos el código para hacer las simulaciones mucho más rápido y con mucha más precisión que nunca".