Введение

Симуляция динамической системы частиц тема в физике В физике и астрономии, симуляция N тела - это симуляция динамической системы частиц, обычно под влиянием физических сил, таких как гравитация (см. Проблема n тел для других приложений). Моделирование N тел - это широко используемые инструменты в астрофизике, от исследования динамики нескольких систем тел, таких как Земля, Луна и Солнце, до понимания эволюции крупномасштабной структуры Вселенной. В физической космологии моделирование N тел используется для изучения процессов формирования нелинейных структур, таких как галактические нити и гало галактик, возникающих под воздействием темной материи. Для изучения динамической эволюции звездных скоплений используются прямые моделирования N тел.

Характер частиц

"Частицы", обработанные в процессе моделирования, могут соответствовать или не соответствовать физическим объектам, которые по своей природе являются частицами. Например, симуляция тела N звездного скопления может иметь одну частицу на одну звезду, поэтому каждая частица имеет некоторое физическое значение. С другой стороны, симуляция газового облака не может позволить себе иметь частицу для каждого атома или молекулы газа, поскольку для этого потребуется порядка e = 23 частиц для каждого моль материала (см. Константу Авогадро), поэтому одна "частица" будет представлять собой гораздо большее количество газа (часто реализуется с использованием гидродинамики гладких частиц). Это количество не должно иметь какого-либо физического значения, но должно быть выбрано как компромисс между точностью и управляемыми компьютерными требованиями.

Симуляция темной материи

Темная материя играет важную роль в формировании галактик. Временная эволюция плотности f (в фазовом пространстве) частиц темной материи может быть описана без столкновения уравнением Больцмана В уравнении, является скорость, а Φ - гравитационный потенциал, данный уравнением Пуассона. Эти два соединенных уравнения решаются в расширяющейся фоновой Вселенной, которая управляется уравнениями Фридмана, после определения начальных условий частиц темной материи. Обычный метод, используемый для инициализации позиций и скоростей частиц темной материи, включает в себя движущиеся частицы в рамках однородной картезианской решетки или стеклянной конфигурации частиц. Это делается с помощью линейной теории приближения или низкого порядка возмущения теории.

Симуляции прямого гравитационного Н-тела

В симуляциях прямого гравитационного тела N уравнения движения системы N частиц под влиянием их взаимных гравитационных сил интегрируются численно без каких-либо упрощающих приближений. Эти расчеты используются в ситуациях, когда взаимодействие между отдельными объектами, такими как звезды или планеты, важно для эволюции системы. Первые симуляции прямого гравитационного N тела были выполнены Эриком Холмбергом в обсерватории Лунд в 1941 году, определяя силы между звездами при столкновении галактик через математическую эквивалентность между распространением света и гравитационным взаимодействием: помещая лампы на положения звезд и измеряя направленные световые потоки на положения звезд фотоэлементом, уравнения движения могут быть интегрированы с усилиями O ((N). Первые чисто вычислительные симуляции были сделаны Себастьяном фон Хоернером в Астрономическом институте Рехен в Гейдельберге, Германия. Сверре Арсеф из Кембриджского университета (Великобритания) посвятил всю свою научную жизнь разработке серии высокоэффективных кодов N-тела для астрофизических приложений, которые используют адаптивные (иерархические) временные шаги, схему соседства Ахмада Коэна и регуляризацию близких встреч. Регуляризация - это математический трюк, чтобы устранить сингулярность в ньютоновском законе гравитации для двух частиц, которые приближаются друг к другу произвольно близко. Коды Сверре Арсета используются для изучения динамики звездных скоплений, планетарных систем и галактических ядер.

Симуляции общей теории относительности

Многие модели достаточно велики, чтобы эффекты общей теории относительности при установлении космологии Фридмана Лемайтра Робертсона Уокера были значительными. Это включено в моделирование как эволюционная мера расстояния (или масштабный фактор) в комовирующей системе координат, что заставляет частицы замедляться в комовирующих координатах (а также из-за красного смещения их физической энергии). Однако вклад общей теории относительности и конечной скорости гравитации в противном случае можно игнорировать, поскольку типичные динамические временные шкалы длинны по сравнению с временем пересечения света для моделирования, а искривление пространства-времени, индуцированное частицами и скоростями частиц, мало. Пограничные условия этих космологических симуляций обычно периодичны (или тороидальны), так что один край объема симуляции соответствует противоположному краю.

Оптимизация вычислений

Моделирование N тел в принципе простое, потому что они включают в себя просто интеграцию 6N обычных дифференциальных уравнений, определяющих движение частиц в ньютоновской гравитации. На практике число N участвующих частиц обычно очень велико (типичные моделирования включают в себя многие миллионы, моделирование Millennium включало десять миллиардов), а количество взаимодействий частиц частиц, которые необходимо вычислить, увеличивается порядка N2, и поэтому прямая интеграция дифференциальных уравнений может быть чрезмерно затратной. Поэтому обычно используется ряд усовершенствований. Числовая интеграция обычно выполняется в небольших промежутках времени с использованием такого метода, как интеграция прыжков. Однако всякая численная интеграция приводит к ошибкам. Меньшие шаги дают меньше ошибок, но работают медленнее. Интеграция Leapfrog примерно 2-го порядка по временному шагу, другие интеграторы, такие как методы RungeKutta, могут иметь точность 4-го порядка или намного выше. Одно из простейших усовершенствований заключается в том, что каждая частица несет с собой свою собственную переменную шага времени, так что частицы с очень разными динамическими временами не должны развиваться вперед со скоростью того, у кого самое короткое время. Существует две основные схемы приближения для уменьшения вычислительного времени для таких симуляций. Они могут уменьшить вычислительную сложность до O ((N log N) или лучше, при потере точности.

Деревянные методы

В древообразовательных методах, таких как моделирование BarnesHut, октри обычно используется для разделения объема на кубические клетки, и только взаимодействия между частицами из близлежащих клеток необходимо рассматривать индивидуально; частицы в отдаленных клетках могут рассматриваться коллективно как одна большая частица, сосредоточенная в центре массы отдаленной клетки (или как низкий порядок многополярного расширения). Это может значительно сократить количество взаимодействий пар частиц, которые должны быть рассчитаны. Чтобы предотвратить поглощение моделирования вычислениями взаимодействия частиц частиц, ячейки должны быть очищены до меньших ячеек в более плотных частях моделирования, которые содержат много частиц на ячейку. Для моделирования, где частицы не распределены равномерно, методы разложения хорошо разделенных пар Каллахана и Косараджу дают оптимальное время O ((n log n) на итерацию с фиксированным измерением.

Метод сетки частиц

Другая возможность - это метод сетки частиц, в котором пространство дискретизируется на сетке и для целей вычисления гравитационного потенциала частицы распределяются между окружающими вершинами сетки 2х2. Потенциальную энергию Φ можно найти уравнением Пуассона, где G - это постоянная Ньютона и плотность (число частиц в точках сетки). Быстрая трансформация Фурье может эффективно решить это, перейдя в частотную область, где уравнение Пуассона имеет простую форму, где является комовинг волновое число и шляпы обозначают трансформации Фурье. Так как , гравитационное поле теперь можно найти , умножив на и вычислив обратную преобразование Фурье (или вычислив обратную преобразование и затем используя какой-то другой метод). Поскольку этот метод ограничен размером сетки, на практике для вычисления маломасштабных сил используется меньшая сетка или какой-либо другой метод (например, объединение с деревом или простым алгоритмом частиц частиц). Иногда используется адаптивная сетка, в которой ячейки сетки намного меньше в более плотных областях моделирования.

Оптимизация для особых случаев

Несколько различных алгоритмов гравитационных возмущений используются для получения довольно точных оценок пути движения объектов в Солнечной системе. Люди часто решают вывести спутник на замёрзшую орбиту. Путь спутника, близко вращающегося вокруг Земли, может быть точно смоделирован, начиная с эллиптической орбиты 2 тел вокруг центра Земли и добавив небольшие коррекции из-за обнаженности Земли, гравитационного притяжения Солнца и Луны, атмосферного сопротивления и т. Д. Можно найти замёрзшую орбиту, не рассчитывая фактический путь спутника. Путь небольшой планеты, кометы или космического аппарата большой дальности часто может быть точно смоделирован, начиная с эллиптической орбиты двух тел вокруг Солнца и добавив небольшие коррекции от гравитационного притяжения больших планет на их известных орбитах. Некоторые характеристики долгосрочных путей системы частиц могут быть рассчитаны непосредственно. Фактический путь любой конкретной частицы не нужно рассчитывать как промежуточный шаг. Такие характеристики включают стабильность Ляпунова, время Ляпунова, различные измерения из эргодической теории и т. Д.

Двухчастичные системы

Хотя в типичных симуляциях есть миллионы или миллиарды частиц, они обычно соответствуют реальной частице с очень большой массой, обычно 109 солнечных масс. Это может создать проблемы с взаимодействиями между частицами на коротком расстоянии, такими как образование двух бинарных систем частиц. Поскольку частицы предназначены для представления большого количества частиц темной материи или групп звезд, эти двойные системы являются нефизическими. Для предотвращения этого используется смягченный закон Ньютона, который не расходится как обратный квадратный радиус на коротких расстояниях. Большинство симуляторов реализуют это вполне естественно, запуская симуляторы на клетках конечного размера. Важно осуществлять процедуру дискретизации таким образом, чтобы частицы всегда оказывали на себя исчезающую силу.

Омягчение

Омягчение - это числовая уловка, используемая в техниках N тел для предотвращения числовых расхождений, когда одна частица слишком близко подходит к другой (и сила идет до бесконечности). Это получается путем модификации регуляризованного гравитационного потенциала каждой частицы как (а не 1/r), где является параметр смягчения. Значение параметра смягчения должно быть достаточно низким, чтобы моделирование было реалистичным.

Результаты моделирования N-тела

Моделирование N тел дает результаты по крупномасштабному распределению темной материи и структуре гало темной материи. Согласно моделированию холодной темной материи, общее распределение темной материи в больших масштабах не является полностью однородным. Вместо этого на нем видна структура, напоминающая сеть, состоящая из пустоты, стен, нитей и гало. Кроме того, моделирование показывает, что связь между концентрацией ореолов и такими факторами, как масса, исходный спектр колебаний и космологические параметры, связана с фактическим временем образования ореолов. В частности, гало с меньшей массой, как правило, образуются раньше, и в результате, имеют более высокую концентрацию из-за более высокой плотности Вселенной во время их образования. Оказывается, формы ореолов отклоняются от совершенно сферических. Обычно гало удлиняются и становятся все более проливной к их центрам. Однако взаимодействие между темной материей и барионами повлияет на внутреннюю структуру гало темной материи. Для изучения мелкомасштабных структур необходимы моделирование, моделирующее как темную материю, так и барионы.

Включение барионов, лептонов и фотонов в моделирование

Многие моделирование моделируют только холодную темную материю, и, таким образом, включают только гравитационную силу. Включение барионов, лептонов и фотонов в моделирование значительно увеличивает их сложность, и часто необходимо радикальное упрощение основной физики. Однако это чрезвычайно важная область, и многие современные моделирования сейчас пытаются понять процессы, которые происходят во время образования галактик, что может объяснить уклонение галактик.

Комплексность вычислений

Рейф и Тейт доказывают, что если задача доступности n тел определена следующим образом, то при n тел, удовлетворяющих фиксированному закону электростатического потенциала, определяя, достигает ли тело целевого шара в заданной временной границе, где нам требуется поли (n) битов точности, и целевое время в PSPACE. С другой стороны, если вопрос заключается в том, достигнет ли тело в конечном итоге целевого шара, проблема PSPACE hard. Эти границы основаны на границах сложности, подобных тем, которые были получены для трассирования лучей.