В Аргоннской национальной лаборатории ученые с применением суперкомпьютера Frontier создали уникальную симуляцию Вселенной, охватывающую 10 миллиардов световых лет. Этот проект включает в себя сложнейшие физические модели и открывает новые горизонты для понимания формирования галактик и космической эволюции, демонстрируя возможности экзафлопсных вычислений.
Это достижение стало возможным благодаря суперкомпьютеру Frontier, который недавно был признан самым мощным в мире. Его вычислительная мощность позволяет моделировать такие сложные процессы, как взаимодействие темной материи и энергии, газовая динамика, образование звезд и рост черных дыр. В настоящее время Frontier находится на втором месте по производительности среди всех суперкомпьютеров, уступая лишь El Capitan. Но Frontier — первый экзафлопсный суперкомпьютер, который разделяет этот титул с El Capitan, что подчеркивает его выдающиеся вычислительные возможности.
Созданная симуляция открывает новые перспективы в астрофизике. Она охватывает объем Вселенной в 10 миллиардов световых лет и учитывает огромное количество факторов, включая темную материю, темную энергию и газовую динамику. Это позволяет ученым изучать такие процессы, как формирование галактик и эволюция крупных космических структур. Использование экзафлопсных вычислений предоставляет возможность моделировать эти явления с высокой точностью, что ранее было недоступно.
Руководитель проекта, Салман Хабиб, объясняет, что моделирование Вселенной требует учета двух ключевых компонентов: темной материи, которая взаимодействует лишь гравитационно, и обычной материи, или атомарной материи. Для понимания, как развиваются такие процессы, как образование звезд, черных дыр и галактик, необходимо учитывать как гравитационные силы, так и физику горячего газа, звездных процессов и другие факторы. Этот подход объединяет космологию и гидродинамику, и позволяет моделировать взаимодействие этих явлений на уровне, который можно достичь только с помощью суперкомпьютеров.
Для проведения таких симуляций Frontier использует около 21 МВт электроэнергии, что эквивалентно потреблению энергии примерно 15 тысяч домов в США. Хабиб отмечает, что благодаря таким вычислениям ученые теперь могут моделировать гигантские участки Вселенной, наблюдаемые современными телескопами, такими как обсерватория «Рубин» в Чили. Это открывает новые возможности для изучения расширения Вселенной, происходящего на протяжении миллиардов лет.
Кроме того, вычислительные мощности Frontier позволяют включать более сложные физические модели, такие как барионы, что делает симуляцию еще более точной и реалистичной. Эти достижения подчеркивает Бронсон Мессер, директор по науке Oak Ridge Leadership Computing Facility. По его словам, добавление такого уровня физического реализма делает модель вселенной, созданную на Frontier, уникальной.
Frontier не ограничивается только моделированием космоса. В июне 2022 года ученые, работающие с этим суперкомпьютером, достигли еще одного важного результата — они смоделировали систему из 466 миллиардов атомов воды. Это является самой крупной системой из всех когда-либо смоделированных и более чем в 400 раз превышает размеры предыдущего рекорда. Поскольку вода является основным компонентом клеток, такие достижения открывают путь к моделированию живых клеток, что является важным шагом в биомедицинских исследованиях.
В дальнейшем Frontier будет применяться не только в астрофизике, но и в множестве других областей, таких как синтез и деление ядер, исследование передачи энергии, а также создание новых лекарств, материалов, батарей и более эффективных технологий, включая бетон. Он также используется для изучения заболеваний, разработки методов борьбы с изменением климата и создания квантовых моделей молекулярной динамики, которые превосходят предыдущие достижения в 1000 раз.
Исследования с использованием Frontier открывают перед учеными новые перспективы для изучения Вселенной. Недавние данные с космических телескопов «Хаббл» и «Джеймс Уэбб» показали, что источниками свободных фотонов на заре космоса стали карликовые галактики, которые рассеяли водородный туман, заполнявший межгалактическое пространство. Эти открытия, совместно с новыми возможностями суперкомпьютера Frontier, обещают расширить наше понимание происхождения и эволюции Вселенной.