Mira的最后旅程：黑暗宇宙的极限探索

可视化的《最后的旅程》模拟。通过完整模拟（左下图）和不同级别的放大，显示出宇宙的大型结构是薄片。右下方的面板显示了模拟中最大的结构之一。

宇宙的大规模模拟，并向下一代计算致敬。

来自美国能源部（DOE）阿尔贡国家实验室的物理学家和计算机科学家组成的团队进行了有史以来五次最大的宇宙学模拟之一。来自模拟的数据将为天空图提供帮助，以协助进行大规模的宇宙学实验。

该模拟称为“最后的旅程”，它随着时间的推移跟踪整个宇宙的质量分布，换句话说，引力是如何使一种称为“暗物质”的神秘无形物质聚集成在一起形成更大的结构，称为光晕。星系形成并演化。

“在Mira的整个生命周期中，我们学到了很多东西，并且进行了许多改编，这是一次回顾和期待的有趣机会。”— Argonne物理学家Adrian Pope

科学家们在Argonne的超级计算机Mira上进行了仿真。在Mira开机几天后，同一批科学家就在2013年进行了之前的宇宙学模拟，称为外环。在机器的整个七年生命周期内运行模拟之后，该团队通过《最后的旅程》模拟标志着Mira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了长足的发展，并将为实验提供数据和见解，例如基于Stage-4ground的宇宙微波背景实验（CMB-S4），太空遗留测量和时间（由智利鲁宾天文台执行），暗能量光谱仪和两个NASA任务，即罗马太空望远镜和SPHEREx。

“我们对巨大的宇宙进行了研究，我们对大型结构感兴趣，例如成千上万个星系的区域，但我们也考虑了较小尺度的动力学，”阿贡大学高等精密研究副主任卡特琳·海特曼说。能量物理（HEP）修正案。

Argonne的Mira超级计算机在启用了开创性科学技术七年后，最近退休了。

Last Journey模拟和主要分析任务的六个月跨度为软件开发和工作流程提出了独特的挑战。该团队对2013年外环模拟使用的某些代码进行了修改，并进行了一些重大更新，以有效利用Mira，这是IBM Blue Gene / Q系统，该系统位于美国能源部DOEG办事处Argonne Leadership Computing Facility（ALCF）内。科学用户设施。

具体来说，科学家使用硬件/混合加速宇宙论代码（HACC）及其分析框架CosmoTools来实现在模拟运行的同时增量提取相关信息。

海特曼说：“运行整台机器具有挑战性，因为读取由仿真产生的大量数据在计算上非常昂贵，因此您必须即时进行大量分析。”``这令人望而生畏，因为如果您在分析设置上犯了一个错误，您将没有时间重做它。

团队采用了一种集成方法来在仿真过程中执行工作流程。HACC将及时进行模拟，确定宇宙历史大部分时间中重力对物质的影响。一旦HACC确定了代表物质整体分布的数万亿个计算粒子的位置，CosmoTools便会介入以记录相关信息，例如找到容纳银河系的数十亿个光环，以便在后处理期间进行分析。

“当我们知道粒子在某个时间点的位置时，我们将表征使用CosmoTools形成的结构，并存储一部分数据以进一步利用”，HACC和CosmoTools的核心物理学家Adrian Pope说道。 Argonne计算科学（CPS）计划的开发人员。``如果发现密集的粒子团块，则表明暗物质晕的位置，并且在这些暗物质晕中会形成星系。''

科学家重复了这种交织过程-HACC移动颗粒，CosmoTools分析并记录特定数据-直到模拟结束。然后，该团队使用CosmoTools的功能来确定哪些团块可能容纳了星系。作为参考，模拟中约有100到1,000个粒子代表单个星系。

“我们将移动粒子，进行分析，移动粒子，进行分析，” Pope说。``最后，我们将回顾我们精心选择存储的数据子集并进行其他分析，以更深入地了解结构形成的动力学，例如哪些光环合并在一起以及哪些光环最终绕轨道运行。

通过将优化的工作流程与HACC和CosmoTools结合使用，团队可以在预期的一半时间内运行仿真。

社区贡献

当比较观察结果或得出关于许多主题的结论时，《最后的旅程》模拟将提供其他主要宇宙学实验所需的数据。这些见解可能会揭示出从宇宙学奥秘，例如暗物质和暗能量在宇宙演化中的作用，到整个宇宙中银河系形成的天体物理学等主题。

ALCF科学总监Katherine Riley说：“他们正在建立的庞大数据集将投入许多不同的工作。”最终，这是我们的主要任务-帮助完成具有重大影响的科学。如果您不仅能够做一些很棒的事情，而且能够养活整个社区，那么这将是一项巨大的贡献，并将持续多年。

团队的模拟将解决宇宙学中的许多基本问题，对于使现有模型得以完善和开发新模型至关重要，这将影响正在进行的和即将进行的宇宙学调查。

教宗说：“我们没有试图匹配实际宇宙中的任何特定结构。”``相反，我们正在制作统计上等效的结构，这意味着如果我们查看数据，我们可以找到银河系大小的星系将生存的位置。但是，我们也可以使用模拟宇宙作为比较工具，以发现我们当前对宇宙学的理论理解与我们所观察到的之间的张力。

期待百亿美元

“回想起来，当我们运行外​​环模拟时，您真的可以看到这些科学应用已经走了多远，”海特曼说。他在2013年与HACC团队以及CPS裁定总监兼Argonne杰出研究员Salman Habib一起执行了外环。``运行更大，更复杂的东西真是太棒了，它将为社区带来很多好处。''

当Argonne致力于ALCF即将推出的百亿亿次超级计算机Aurora的到来时，科学家们正在为更广泛的宇宙学模拟做准备。Exascale计算系统将能够每秒执行10亿亿次计算，这比当今运行的许多最强大的超级计算机快50倍。

教宗说：“在Mira的整个生命周期中，我们学到了很多东西，并且进行了很多改编，这是一次有趣的机会，可以同时回顾和展望。”``在为亿兆级计算机进行仿真和新的十年发展做准备时，我们正在完善代码和分析工具，由于到现在为止的局限性，我们不得不问自己自己在做什么。''

《最后的旅程》仅是重力模拟，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。重力是大规模宇宙学的主要参与者，但科学家们希望在未来的模拟中纳入其他物理学，以观察它们在物质随时间推移如何在宇宙中移动和分布方面所产生的差异。

“越来越多，我们在物理世界中发现了紧密耦合的关系，并且为了模拟这些相互作用，科学家们必须开发创造性的工作流程来进行处理和分析，” Riley说。``通过这些迭代，您可以更快地得出答案-并获得突破。''

关于模拟的论文，题为《最后的旅程》。I.在Mira超级计算机上进行极端规模的模拟，于2021年1月27日在《天体物理学杂志增刊》系列中发表。科学家们目前正在准备后续文件，以生成详细的合成天空目录。

参考：“最后的旅程。I. Mira超级计算机上的极端规模仿真”，作者Katrin Heitmann，Nicholas Frontiere，Esteban Rangel，Patricia Larsen，Adrian Pope，Imran Sultan，Thomas Uram，Salman Habib，Hal Finkel，Danila Korytov，Eve Kovacs，Silvio Rizzi，Joe英斯利（Insley）和珍妮特（Janet YK Knowles），2021年1月27日，《天体物理学杂志增刊》系列。
10.3847 / 1538-4365 / abcc67

这项工作是来自Argonne各地的高能物理学家和计算机科学家与Los Alamos国家实验室的研究人员之间的跨学科合作。

仿真的资金由美国能源部科学办公室提供。