ВИРТУАЛЬНАЯ ВСЕЛЕННАЯ

С помощью грида исследователи выполняют самые сложные по объему вычисления, чтобы проследить формирование облаков темной материи, которые порождают галактики.

На рисунке справа изображены три моделируемые компьютером области. В левой области показано, как в эксперименте Тысячелетия моделируется распределение темной материи в очень большом масштабе.На изображении в середине показан результат, взятый из эксперимента Тысячелетия, который был пересчитан при большем разрешении и отражал присутствие барионного вещества. Справа изображён один из многих примеров дисковой галактики, формирующейся в области высокого разрешения GIMIC. Рисунки с разрешения Virgo-консорциума.

Чтобы понять свойства самих галактик, необходимо построить модели процессов охлаждения газа и формирования звёзд в таких ореолах, говорит Carlos Frenk, директор Института Вычислительной Космологии (the Institute for Computational Cosmology, ICC) и главный руководитель группы the Virgo-консорциум, международного объединения космологов, выполняющих сложное численное моделирование по формированию галактик и других сложных космических структур.

Ключевым проектом для консорциума является проект GIMIC (the Galaxies Intergalactic Medium Interaction Calculation, вычисления для галактик среднего межгалактического взаимодействия), в котором моделируется процесс формирования галактик в пяти главных областях вселенной, что позволяет членам Virgo-консорциума выполнять беспрецедентную визуализацию процесса формирования галактик.

GIMIC умеет в полной мере использовать репозиторий общих данных и координированное планирование инфраструктуры DEISA (в ее новой модификации), применяя подход рабочей фермы к планированию и постобработке вычислений. (GIMIC – это проект сотрудничества Астрофизического института Макса Планка в Германии и ICC в Англии. В нем принимают участие также коллеги из Лейдена в Нидерландах, Сассекса и Ноттингема в UK.

Это не такая простая проблема  Моделирование процессов формирования и эволюции галактик и других структур во  вселенной на базе начальных космологических условий является одной из самых трудных  проблем вычислительной физики. Нелокальное по своей природе гравитационное  взаимодействие сильно ограничивает возможность расщепления вычислительных доменов на  более или менее изолированные области, позволяющие параллельную обработку. Чтобы  промоделировать эволюцию части вселенной, необходимо учитывать влияние всей материи во  всех ее частях. Это предполагает весьма хитроумные стратегии параллелизации.  Невозможность локализации вычислительных доменов это главное узкое место  для эффективного использования космологических программ в контексте  базирующихся на гриде технологий. Необходим доступ к самым большим  параллельным суперкомпьютерам с низкой  задержкой передачи данных, такой,  например, как это доступно в инфраструктуре DEISA.

"Никому в мире еще не удалось получить на компьютере
спиральную галактику, аналогичную, например, Млечному пути." - Carlos Frenk

В экспериментах GIMIC было обнаружено, что астрофизические процессы разделяют обычное, или "барионное", вещество от черного вещества на самых различных уровнях. При охлаждении газа в процессе становления галактики высвобождаемая в звездах энергия  порождает мощные энергетические потоки, которые нагревают окружающий газ и вносят в  него продукты ядерных реакций в центре звезд – то, что астрономы называют "тяжелыми элементами". "Теперь у нас есть полная картина распределения и термодинамического состояния барионного вещества во вселенной, а также состав его тяжелых элементов. Это позволит астрономическим исследованиям идти по правильному пути в поисках недостающей массы во всей Вселенной," объясняет Frenk.

Несмотря на эти успехи, проблема формирования галактики далека от своего решения. "Никому в мире еще не удалось получить на компьютере спиральную галактику, аналогичную, например, Млечному пути. Мы все еще не знаем, является ли причиной этого наше слабое понимание физики формирования галактики или наша космологическая модель недостаточно полна. Например, космологическая модель, которая очень успешно работала в эксперименте Тысячелетие предполагает наличие определенного типа темной материи, так называемой холодной темной материи. Так как частички, из которых должна была бы состоять эта холодная материя, пока еще не обнаружены в лабораторных условиях, мы не можем быть уверенными в корректности наших предположений. Петафлопные машины при совместной работе позволят нам моделировать физику формирования галактики со все возрастающей надежностью и проверять альтернативные предположения построения космологической модели, включая и природу темной материи. В конечном счете, нам бы хотелось промоделировать репрезентативные области Вселенной на основе полной физики газа – иначе говоря, создать виртуальную вселенную," заключает Frenk.

Выдержки из DEISA-новости