萨凡纳·米切姆，阿尔贡国家实验室 最后旅程模拟的可视化
图中显示的是宇宙的大尺度结构，它是通过完全模拟(左下方)和不同级别的放大而得到的一个薄片
右下方的面板显示了模拟中最大的结构之一
学分:阿尔贡国家实验室
一组来自美国的物理学家和计算机科学家
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能源部阿尔贡国家实验室进行了有史以来最大的五次宇宙模拟之一
来自模拟的数据将为天空地图提供信息，以帮助领导大规模的宇宙学实验
这项名为“最后的旅程”的模拟跟踪了随着时间的推移质量在宇宙中的分布——换句话说，重力是如何导致一种神秘的无形物质“暗物质”聚集在一起形成更大规模的结构“光晕”，星系就是在光晕中形成和演化的
“在米拉的一生中，我们学到了很多，也适应了很多，这是一个回顾过去、展望未来的有趣机会
“——阿德里安·波普，阿尔贡物理学家 科学家们在阿尔贡的超级计算机米拉上进行了模拟
同一组科学家在2013年运行了一个名为外环的宇宙模拟，就在米拉启动几天后
在这台机器上运行了七年的模拟之后，研究小组用“最后的旅程”模拟标志着米拉的退休
《最后的旅程》展示了观测和计算技术在短短七年中取得的巨大进步，它将为第四阶段地基宇宙微波背景实验、空间和时间遗产调查(由智利鲁宾天文台实施)、暗能量分光镜仪器和美国国家航空航天局的两项任务罗马太空望远镜和SPHEREx提供数据和见解
阿尔贡高能物理(HEP)部门副主任卡特琳·海特曼(Katrin Heitmann)说:“我们研究了大量的宇宙，我们对大规模的结构感兴趣，比如数千或数百万个星系的区域，但我们也考虑了小规模的动力学。”
构建宇宙的代码 为期六个月的最后旅程模拟和主要分析任务为软件开发和工作流程带来了独特的挑战
该团队采用了2013年外环模拟中使用的一些相同代码，并进行一些重大更新，以有效利用米拉，这是一个位于美国能源部科学办公室用户设施阿贡领导计算设施(ALCF)的IBM蓝色基因/Q系统
具体来说，科学家使用硬件/混合加速宇宙学代码(HACC)及其分析框架宇宙工具，在模拟运行的同时实现相关信息的增量提取
“运行完整的机器很有挑战性，因为读取模拟产生的大量数据在计算上很昂贵，所以你必须在运行中做大量的分析，”海特曼说
“这让人望而生畏，因为如果您在分析设置上犯了错误，您就没有时间重做它了
" 在模拟过程中，团队采用了一种集成的方法来执行工作流
HACC将及时进行模拟，确定在宇宙历史的大部分时间里重力对物质的影响
一旦HACC确定了数万亿个代表物质总体分布的计算粒子的位置，宇宙工具就会介入记录相关信息——比如找到数十亿个容纳星系的光晕——用于后处理过程中的分析
“当我们知道粒子在某个时间点的位置时，我们就可以通过使用宇宙工具来表征已经形成的结构，并存储一部分数据，以便将来进一步使用，”阿德里安·波普(Adrian Pope)说，他是阿尔贡计算科学(CPS)部门的物理学家、HACC核心和宇宙工具开发人员
“如果我们发现一团致密的粒子，这就表明了暗物质晕的位置，星系可以在这些暗物质晕内部形成
" 阿尔贡的米拉超级计算机在支持突破性科学七年后最近退役
学分:阿尔贡国家实验室
科学家们重复这个交织的过程——HACC移动粒子，宇宙工具分析并记录特定数据——直到模拟结束
该小组随后利用宇宙工具的特征来确定哪些粒子团可能是星系的宿主
作为参考，大约100到1000个粒子代表模拟中的单个星系
“我们会移动粒子，做分析，移动粒子，做分析，”波普说
“最后，我们将通过仔细选择的数据子集进行存储和运行额外的分析，以更深入地了解结构形成的动力学，例如哪些光晕合并在一起，哪些光晕最终围绕彼此运行
" 使用HACC和宇宙工具优化的工作流程，团队在预期的一半时间内运行了模拟
社区贡献 “最后的旅程”模拟将为其他主要的宇宙学实验提供必要的数据，以便在比较观察结果或得出关于一系列主题的结论时使用
这些洞见可以揭示从宇宙奥秘(如暗物质和暗能量在宇宙演化中的作用)到宇宙中星系形成的天体物理学等诸多主题
ALCF大学的科学主任凯瑟琳·莱利说:“他们正在建立的这个庞大的数据集将被用于许多不同的研究。”
“最终，这是我们的主要使命——帮助高影响力科学的完成
当你不仅能做一些很酷的事情，还能养活整个社区时，这是一个巨大的贡献，将会影响很多年
" 该团队的模拟将解决宇宙学中的许多基本问题，对于完善现有模型和开发新模型至关重要，对正在进行和即将进行的宇宙学调查都有影响
波普说:“我们并不试图匹配实际宇宙中的任何特定结构。”
“更确切地说，我们正在制造统计上等效的结构，这意味着如果我们查看我们的数据，我们可以找到银河系大小的星系的位置
但是我们也可以用一个模拟宇宙作为比较工具，来找出我们目前对宇宙学的理论理解和我们所观察到的之间的矛盾
" 期待扩大规模 “回想一下我们运行外环模拟的时候，你真的可以看到这些科学应用已经走了多远，”海特曼说，他曾在2013年与HACC团队和萨勒曼·哈比卜，CPS部门主任和阿尔贡杰出研究员一起执行外环
“经营一个大得多、复杂得多、能给社区带来如此多东西的公司真是太棒了
" 随着阿尔贡为即将到来的ALCF超级计算机极光的到来而努力，科学家们正在为更广泛的宇宙模拟做准备
数据库云服务器计算系统将能够每秒执行10亿次计算，比当今运行的许多最强大的超级计算机快50倍
波普说:“在米拉的一生中，我们学到了很多，也适应了很多，这是一个回顾过去、展望未来的有趣机会。”
“当准备在数据库云服务器上进行模拟和新的十年的进步时，我们正在改进我们的代码和分析工具，我们开始问自己，由于到目前为止的限制，我们没有做什么
" 《最后的旅程》是一个纯重力模拟，这意味着它没有考虑气体动力学和恒星形成物理学等相互作用
重力是大尺度宇宙学的主要参与者，但是科学家们希望在未来的模拟中结合其他物理学来观察物质如何随着时间在宇宙中运动和分布的差异
赖利说:“我们越来越多地在物理世界中发现紧密耦合的关系，为了模拟这些相互作用，科学家必须开发创造性的工作流程来处理和分析。”
“通过这些迭代，您能够更快地找到答案，并实现突破
" 一篇关于模拟的论文，题目是“最后的旅程
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米拉超级计算机上的一个极端规模的模拟，”发表于1月16日
天体物理学杂志增刊系列第27期
科学家们目前正在准备后续论文，以生成详细的合成天空目录
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