Введение
Компьютерное моделирование Вселенной
Миллениум-ран, или Миллениум-симуляция (указывая на её масштаб) — это компьютерное N-частичное моделирование, используемое для изучения эволюции распределения материи во Вселенной с течением времени, в частности, формирования наблюдаемой популяции галактик. Учёные, работающие в области физической космологии, используют его для сопоставления наблюдений с теоретическими предсказаниями.
The Millennium Run, or Millennium Simulation (referring to its size) is a computer N body simulation used to investigate how the distribution of matter in the Universe has evolved over time, in particular, how the observed population of galaxies was formed. It is used by scientists working in physical cosmology to compare observations with theoretical predictions.
Обзор
Основной научный метод проверки теорий в космологии — это оценка их последствий для наблюдаемой части Вселенной. Одним из наблюдательных данных является распределение материи, включая галактики и межгалактический газ, которые наблюдаются сегодня. Свет, испущенный более удалённой материей, должен проходить большее расстояние, чтобы достичь Земли, что означает, что наблюдение далёких объектов равносильно взгляду в прошлое. Это позволяет непосредственно наблюдать эволюцию распределения материи во Вселенной во времени. Моделирование «Тысячелетие» было выполнено в 2005 году Консорциумом Девы — международной группой астрофизиков из Германии, Великобритании, Канады, Японии и Соединенных Штатов. Оно начинается с эпохи излучения космического микроволнового фона, примерно через 379 000 лет после начала существования Вселенной. Космическое фоновое излучение изучалось с помощью спутниковых экспериментов, а наблюдаемые неоднородности в космическом фоне служат исходной точкой для отслеживания эволюции соответствующего распределения материи. Используя физические законы, которые, как ожидается, действуют в известных космологиях, и упрощённые представления астрофизических процессов, влияющих на реальные галактики, начальное распределение материи эволюционирует, и прогнозы моделирования относительно формирования галактик и чёрных дыр фиксируются. С момента завершения симуляции Millennium Run в 2005 году, на основе её сохранённых данных была создана серия всё более сложных и точных симуляций формирования галактик, которые стали общедоступными в интернете. Помимо улучшения моделирования астрофизики формирования галактик, в последних версиях были скорректированы параметры базовой космологической модели, чтобы отразить меняющиеся представления об их точных значениях. На сегодняшний день (середина 2018 года) более 950 опубликованных научных работ использовали данные Millennium Run, что делает её, по крайней мере по этому показателю, самой влиятельной астрофизической симуляцией за всю историю.
Размер моделирования
В первых научных результатах, опубликованных 2 июня 2005 года, "Симуляция тысячелетия" проследила за 2160, или немногим более 10 миллиардов, "частиц". Это не частицы в понимании физики частиц – каждая "частица" представляет собой приблизительно миллиард солнечных масс темной материи.
Первые результаты
Проведённый "Слоанским цифровым обзором неба" проект поставил под сомнение современные представления о космологии, обнаружив кандидатов в чёрные дыры в очень ярких квазарах на больших расстояниях. Это означало, что они сформировались гораздо раньше, чем ожидалось. Успешно смоделировав образование квазаров на ранних этапах существования Вселенной, симуляция "Тысячелетие" показала, что эти объекты не противоречат нашим моделям эволюции Вселенной.
Второе тысячелетие
В 2009 году та же группа провела симуляцию "Миллениум II" (MS II) на меньшем кубе (примерно 400 миллионов световых лет в поперечнике), используя такое же количество частиц, но каждая частица представляла 6,9 миллиона солнечных масс. Это более сложная вычислительная задача, поскольку разделение вычислительной области между процессорами затрудняется при наличии плотных сгустков материи. Для MS II потребовалось 1,4 миллиона процессорных часов на 2048 ядрах (то есть около месяца) на компьютере Power 6 в Гарчинге. Также была запущена симуляция с теми же начальными условиями, но с меньшим количеством частиц, чтобы убедиться, что особенности, наблюдаемые в симуляции с более высоким разрешением, проявляются и при более низком разрешении.
Тысячелетие XXL
В 2010 году было проведено моделирование "Тысячелетие XXL" (MXXL), на этот раз с использованием гораздо большего куба (более 13 миллиардов световых лет в поперечнике) и 6720 частиц, каждая из которых представляла собой массу, в 7 миллиардов раз превышающую массу Солнца. MXXL охватывает космологический объем, в 216 раз больший, чем у моделирования Millennium, и в 27 000 раз больший, чем у моделирования MS II. Моделирование было выполнено на JUROPA, одном из 15 самых мощных суперкомпьютеров в мире в 2010 году. Для его работы было использовано более 12 000 процессорных ядер, что эквивалентно 300 годам работы центрального процессора, 30 терабайт оперативной памяти и позволило сгенерировать более 100 терабайт данных. Космологи используют моделирование MXXL для изучения распределения галактик и гало темной материи в очень больших масштабах, а также для понимания того, как образовались самые редкие и массивные структуры во Вселенной.
Обсерватория "Миллениум Ран"
В 2012 году был запущен проект "Обсерватория Тысячелетия" (MRObs). MRObs – это теоретическая виртуальная обсерватория, объединяющая детальные предсказания для темной материи (полученные из симуляций Millennium) и для галактик (из полуаналитических моделей) с виртуальным телескопом для создания искусственных наблюдений. Астрофизики используют эти виртуальные наблюдения для изучения соответствия предсказаний симуляций Millennium реальной Вселенной, планирования будущих наблюдательных программ и калибровки методов, применяемых астрономами для анализа реальных наблюдений. Первый набор виртуальных наблюдений, созданных MRObs, был предоставлен астрономическому сообществу для анализа через веб-портал MRObs. Доступ к виртуальной Вселенной также возможен через новый онлайн-инструмент – браузер MRObs, позволяющий пользователям взаимодействовать с реляционной базой данных Millennium Run, в которой хранятся свойства миллионов гало темной материи и соответствующих им галактик из проекта Millennium. В настоящее время планируются улучшения платформы MRObs и её расширение на другие типы симуляций.