Суперкомп’ютер Aurora змоделював 13,4 трильйона частинок темної матерії

20 жовтня 2026 р. 20:25

20 жовтня 2026 р. 20:25

Науковці з Національної лабораторії Аргонн (Argonne National Laboratory) Міністерства енергетики США виконали дві з найбільших космологічних симуляцій, які будь-коли проводилися. Як повідомляє Newswise Science News , кожна симуляція відстежувала еволюцію 13,4 трильйона частинок темної матерії у регіоні Всесвіту завширшки 28,6 мільярда світлових років.

Темна матерія невидима для телескопів, але її гравітація керує формуванням галактик і великих космічних структур. У цих розрахунках частинки виступають «маячками», що позначають розподіл густини та швидкостей темної матерії. Це дає змогу простежити, як космічна структура змінювалася протягом мільярдів років.

Екзаскейл-суперкомп’ютер для Всесвіту

Обчислення такого масштабу потребують колосальної потужності. Команда використала екзаскейл-суперкомп’ютер Aurora, систему Intel-HPE, здатну виконувати понад квінтильйон операцій за секунду. Aurora має 10 624 обчислювальні вузли та 63 744 графічні процесори (GPU) і розміщена в Argonne Leadership Computing Facility (ALCF).

Для кожного запуску симуляції дослідники задіяли близько 8 100 вузлів і приблизно 50 000 GPU . Обидві симуляції та значна частина аналізу даних були завершені приблизно за чотири дні.

Проєкт очолює обчислювальний науковець Argonne Ніколас Фронтьєр (Nicholas Frontiere). Мета роботи — краще зрозуміти фізику космічної інфляції, тобто надзвичайно швидкого розширення Всесвіту на самому початку його існування.

За теорією інфляції, мікроскопічні квантові флуктуації були розтягнуті до космологічних масштабів, залишивши крихітні відхилення в густині, які згодом гравітація перетворила на космічну павутину галактик і скупчень. Однак точний механізм інфляції залишається невизначеним, тому вчені шукають підказки в тому, як матерія розподілена у Всесвіті сьогодні.

Пошук слідів інфляції в розподілі матерії

Нові симуляції мають допомогти в аналізі великих оглядів неба, зокрема інструмента Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), що підтримується DOE, та космічної місії NASA SPHEREx (Spectro-Photometer for the History of the Universe, Epoch of Reionization and Ices Explorer). Обидва проєкти вже збирають дані, а поєднання їхніх спостережень із надмасштабними симуляціями дає дедалі детальнішу картину еволюції Всесвіту.

Стандартні моделі інфляції передбачають, що ранні флуктуації мали гаусівський розподіл — одну з найпростіших форм випадковості. Дослідники шукають невеликі відхилення від цього шаблону, відомі як первинна негаусівськість . Вимірюваний відступ від гаусівського розподілу може вказувати на додаткові поля, взаємодії або динаміку під час інфляції й допомогти відрізнити конкуруючі теорії раннього Всесвіту.

Очікується, що такий сигнал буде дуже слабким і до того ж частково «розмиватиметься» космічною варіацією — статистичною невизначеністю, пов’язаною з тим, що огляди охоплюють лише скінченний об’єм Всесвіту. Тому потрібні симуляції, які одночасно покривають найбільші космічні масштаби й мають достатню роздільну здатність, щоб відтворити гало темної матерії — великі скупчення, у яких формуються галактики. Саме розподіл галактик і вимірюють DESI та SPHEREx.

Поєднати гігантський об’єм і високу роздільну здатність — головна складність цих розрахунків, і саме тут екзаскейл-машини на кшталт Aurora виявляються особливо ефективними.

Код HACC і роль пам’яті та зберігання даних

Команда Фронтьєра використовує програмний комплекс HACC (Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code), розроблений в Argonne спеціально для екстремальних космологічних симуляцій. У межах Exascale Computing Project код адаптували для ефективної роботи на різних екзаскейл-архітектурах.

До запусків на Aurora дослідники застосували інший екзаскейл-суперкомп’ютер — Frontier в Oak Ridge National Laboratory — для найбільшої на сьогодні гідродинамічної симуляції Всесвіту, де разом із гравітацією моделювали газ, зорі та інші процеси формування галактик. На Aurora вони обрали інший підхід: зосередилися лише на гравітації, що дозволило охопити більший об’єм і використати більше частинок.

Висока ємність пам’яті Aurora була критично важливою, оскільки дані про трильйони частинок мали залишатися доступними в процесі обчислень. Система розподіленого асинхронного зберігання об’єктів DAOS забезпечила запис гігантських масивів даних: дві симуляції разом записали понад 85 петабайтів , переважно у вигляді контрольних точок для перезапуску. Це дозволяло відновити розрахунки після можливих збоїв без початку «з нуля». Близько 8 петабайтів даних збережено для наукового аналізу.

За словами обчислювального науковця ALCF Адріана Поупа (Adrian Pope), Aurora поєднує все необхідне для такого проєкту: GPU забезпечують потужність для еволюції трильйонів частинок, велика пам’ять дає змогу працювати з настільки масштабною задачею, а DAOS дозволяє надійно зберігати масивні контрольні точки.

«Дзеркальні» Всесвіти як полігон для методів аналізу

Обидві симуляції на Aurora побудовані на однаковій космологічній моделі й містять той самий сигнал первинної негаусівськості, але їхні початкові фази «перевернуті». Це робить їх статистичними дзеркальними відображеннями одна одної.

Під час спільного аналізу значна частина випадкових флуктуацій у таких «дзеркальних» Всесвітах взаємно компенсується, що дає чистіший вимір фундаментальної фізики. До того ж сила сигналу навмисно «засліплена»: дослідники, які використовуватимуть ці дані для тестування своїх методів, не знатимуть правильного значення наперед.

Перевіряючи, чи здатні їхні аналітичні «конвеєри» відновити приховане значення з синтетичних спостережень, науковці можуть валідовувати свої підходи до того, як застосують їх до реальних даних DESI, SPHEREx та інших оглядів.

За кількістю частинок ці обчислення стали найбільшими індивідуальними космологічними симуляціями , які будь-коли виконувалися. Їхній об’єм дозволить створювати синтетичні повнонебесні карти й реалістичні «муляжі» спостережень для різних оглядів неба. Такі набори даних допоможуть виявляти систематичні похибки, вдосконалювати методи аналізу й отримувати більш надійні вимірювання з реальних спостережень.

Фронтьєр підкреслює, що розширення масштабу симуляцій допомагає краще поєднати теорію з тим, що ми бачимо в телескопи. Чим більші об’єми й детальніші моделі вдається змоделювати, тим ефективніше вчені можуть досліджувати фундаментальні питання про походження й еволюцію Всесвіту та використовувати потенціал нових потужних оглядів неба.

Наука