Für Wissenschaftler mag es verlockend sein, mehrere Universen zu erstellen, um zu sehen, wie sie funktionieren, aber das ist offensichtlich nicht möglich. Das heißt, solange Sie physische Universen benötigen. Wenn Sie mit virtuellen auskommen, gibt es weitaus mehr Möglichkeiten.
Kosmologen entwickeln Computersimulationen des Universums, die auf Exa-Computern laufen sollen. Diese Modelle nutzen diese Supercomputer, um neue Einblicke in die Vergangenheit und Gegenwart unseres Universums zu gewinnen.
Wissenschaftler entwickeln diese Simulationen, um ihnen bei der Erforschung einiger der größten Fragen der Physik zu helfen. Kosmologen wissen, dass dunkle Materie etwa 85 % der Masse im Universum ausmacht.
Sie arbeiten jedoch immer noch daran, zu verstehen, wie es die Struktur des Universums selbst beeinflusst. Das Licht von Supernovae hat uns geholfen zu verstehen, dass sich das Universum jedes Jahr schneller ausdehnt. Doch die „dunkle Energie“, die diese beschleunigte Expansion verursacht, ist immer noch ein Rätsel.
Simulationen nutzen Beobachtungsdaten von Teleskopen, die den aktuellen Himmel kartieren, um verschiedene Hypothesen über die Entwicklung des Universums zu testen. Das Office of Science des DOE unterstützt eine Reihe von Teleskopen, die riesige Datenmengen aufnehmen. Der erster Datenstapel vom Dark Energy Spectroscopic Instrument in Arizona verfügt allein über Informationen zu zwei Millionen Himmelsobjekten. Wenn die Legacy Survey of Space and Time (LSST)-Kamera am Vera C. Rubin Observatory mit der Datenerfassung beginnt, wird sie 10 Jahre lang jede Nacht Hunderte von Bildern aufnehmen.
Kosmologen nutzen diese Daten, um riesige Karten des Himmels zu erstellen, die weit über das hinausgehen, was wir auf der Erde sehen können. Diese „Himmelsdurchmusterungen“ können uns helfen, Fragen zu dunkler Energie, dunkler Materie und anderen kosmischen Phänomenen zu beantworten. Die Simulationen können Wissenschaftlern auch dabei helfen, die besten Strategien zur Beobachtung des Himmels zu finden – wo man wie oft und wie tief suchen sollte.
Über die Analyse aktueller Beobachtungen hinaus entwickeln Kosmologen Simulationen, die es ihnen ermöglichen, viele verschiedene Versionen desselben Universums zu erschaffen. Jede Version basiert auf unterschiedlichen Annahmen über die Entwicklung des Universums. Durch den Vergleich dieser Versionen mit den auf Beobachtungen basierenden Karten können Wissenschaftler erkennen, welche Annahmen der Realität am nächsten kommen könnten.
Das ExaSky-Projekt konzentrierte sich auf die Entwicklung dieser Simulationen für die Ausführung auf Exascale-Computern. Exascale-Computer können pro Sekunde eine Milliarde Gleitkommaoperationen (eine Form der Berechnung) durchführen. Im Vergleich dazu würde jeder Mensch auf der Welt fünf Jahre am Stück brauchen, um mathematische Aufgaben zu lösen, um eine ähnliche Anzahl an Berechnungen von Hand durchzuführen.
Frontier in der Oak Ridge Leadership Computing Facility (eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science) war der erste Exascale-Computer, der im Mai 2022 online ging. Der nächste – Aurora in der Argonne Leadership Computing Facility (eine weitere Benutzereinrichtung) – wird bald eingeführt.
Diese Computer verfügen sowohl über die Leistung als auch über den Speicher, um die riesigen Mengen an Berechnungen und Daten zu verarbeiten, die durch die Simulationen erzeugt werden. Zusätzlich zur Unterstützung der Benutzereinrichtungen unterstützte das Office of Science ExaSky auch durch das Exascale Computing Project und das Scientific Discovery through Advanced Computing-Programm.
Glücklicherweise fingen die Wissenschaftler von ExaSky nicht bei Null an. Dieses Projekt stützte sich auf zwei große Sätze von Computercodes, die frühere Simulationen unterstützten. Die Codes simulieren, wie Milliarden von Galaxien entstanden und sich in dem, was Wissenschaftler das kosmische Netz nennen, anordneten. Die Programme umfassen Parameter sowohl zur Struktur als auch zur Physik einzelner Galaxien sowie zu deren Wechselwirkung mit sich selbst und der Dunklen Materie über die Schwerkraft.
Die Wissenschaftler des ExaSky-Projekts haben diese Codes aktualisiert, um die Fähigkeiten von Exascale-Computern voll auszunutzen. Exascale-Computer verwenden für die Verarbeitung neben Zentraleinheiten (CPUs) wie in einem typischen Laptop auch Grafikprozessoren (GPUs) – ähnlich denen, die für Videospielgrafiken verwendet werden. Die Anpassung an diese andere Form der Hardware erfordert häufig erhebliche Überarbeitungen der Codes.
Doch die Durchführung dieser Simulationen auf Exascale-Rechnern hat große Vorteile. Diese Computer können sehr große Simulationen viel schneller ausführen. Diese Geschwindigkeit ermöglicht es ihnen, die Zeit zur Beantwortung bestimmter Probleme von Monaten auf Stunden zu verkürzen. Es wird ihnen auch ermöglichen, neue Fragen anzugehen, die zuvor unmöglich gewesen wären.
Darüber hinaus können die ExaSky-Programme eine große Bandbreite an Skalen simulieren, von der Größe kleinster Galaxien bis zu einer Entfernung von weniger als einem Fünftel des Weges bis zum Rand des beobachtbaren Universums. Das ist ein Größenbereich von 1 bis 10 Millionen.
Exascale-Computer ermöglichen es Wissenschaftlern auch, neue Modelle zu entwickeln, die Prozesse beschreiben können, die aktuelle Simulationen nicht umfassen können. Aktive galaktische Kerne sind beispielsweise Bereiche im zentralen Kern von Galaxien, die Strahlung abgeben. Supermassive Schwarze Löcher verursachen sie höchstwahrscheinlich.
Obwohl diese aktiven galaktischen Kerne millionenfach massereicher sind als unsere Sonne, sind die Prozesse, die sie bilden, immer noch zu klein, als dass aktuelle Simulationen sie berücksichtigen könnten. Die ExaSky-Simulationen werden in der Lage sein, diese Phänomene mithilfe von Näherungsmodellen einzubeziehen.
Die größten Fragen der Kosmologie und die größten Strukturen im Universum sind für Menschen schwer zu verstehen. Wissenschaftler, die Exascale-Computer zur Durchführung von Simulationen einsetzen, liefern Einblicke in die Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft unseres Universums.