天体物理学者が過去最大規模の宇宙シミュレーションを公開

天文・宇宙

「AbacusSummit」のシミュレーションは、今後行われる宇宙調査から宇宙に関する情報を引き出すのに役立ちます。

今回発表された一連の宇宙シミュレーションは、合計で60兆個の粒子を含んでおり、これまでに作られたシミュレーションの中で最大のものです。

「AbacusSummit」と名付けられたこのシミュレーション群は、今後行われる宇宙調査から宇宙の秘密を引き出すのに役立つだろうと、制作者たちは予測しています。

英国王立天文学会のMonthly Notices of the Royal Astronomical Societyに2021年10月25日付けで掲載された論文の中で紹介されています。

「AbacusSummit」は、ニューヨークのフラットアイアン研究所計算天体物理学センター(CCA)と、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターの研究者によって制作されました。

160以上のシミュレーションで構成され、重力によって箱型宇宙の粒子がどのように移動するかをモデル化しています。

このようなモデルはN体シミュレーションと呼ばれ、宇宙の物質の大部分を占め、重力によってのみ相互作用するダークマターの挙動を捉えています。

論文の主執筆者でCCA研究員のLehman Garrison氏は、「このシミュレーションは非常に大きく、おそらくこれまでに行われたすべてのN体シミュレーションを合わせたよりも多くの粒子を含んでいるでしょう。」と述べています。

Garrison氏は、天文物理学センターの大学院生Nina Maksimova氏、天文学教授ダDaniel Eisenstein氏とともに、「AbacusSummit」シミュレーションの開発を主導しました。

シミュレーションは、テネシー州のオークリッジ・リーダーシップ・コンピューティング・ファシリティにある米国エネルギー省のスーパーコンピュータ「Summit(サミット)」で実行されました。

「AbacusSummit」は、今後数年のうちに、いくつかの調査によってかつてないほど詳細な宇宙地図が作成するため、すぐに役立つことでしょう。

ダークエネルギースペクトル分析装置(DESI)、ナンシー・グレース・ローマン宇宙望遠鏡、ユークリッド探査機などです。

これらの巨額の予算を投じたミッションの目的の一つは、宇宙がどのように振る舞い、どのように見えるかを決定する宇宙・天体物理学的パラメータの推定値を向上させることです。

「AbacusSummit」では、重力が宇宙におけるダークマターの分布をどのように形成したかについて、数百のシミュレーションを行っています。

「AbacusSummit」では、重力が宇宙におけるダークマターの分布をどのように形成したかについて、数百のシミュレーションを行っています。ここでは、シミュレーションの1つのスナップショットを、100億光年、12億光年、1億光年というさまざまなズームスケールで表示しています。このシミュレーションでは、宇宙の網目や巨大な銀河団など、宇宙の大規模な構造が再現されています。©The AbacusSummit Team; layout and design by Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation

科学者たちは、新しい観測結果を、宇宙を引き離すダークエネルギーの性質など、さまざまなパラメータの値を変えた場合の宇宙のコンピュータシミュレーションと比較することで、推定値を改善します。

Garrison氏は、次世代の銀河系調査が改善されたことで、より優れたシミュレーションが必要になったと言います。

「銀河探査では、非常に詳細な宇宙の地図が作成されていますが、私たちが住む可能性のある幅広い宇宙をカバーする、同様に野心的なシミュレーションが必要です。AbacusSummitは、このような素晴らしい観測結果に匹敵する広さと忠実さを備えた、初めてのシミュレーション群です。」

このプロジェクトは非常に困難なものでした。

N体計算とは、重力で相互作用する惑星などの物体の動きを計算しようとするもので、アイザック・ニュートンの時代から物理学の分野で最も重要な課題の一つとされてきました。

難しいのは、物体がどれだけ離れていても、それぞれの物体が他のすべての物体と相互作用することです。

つまり、物体の数が増えれば増えるほど、相互作用の数が急激に増えるのです。

3つ以上の質量を持つ物体に対するN体問題(多体問題)の一般的な解答はありません。

使える計算は単なる近似値です。

一般的なアプローチは、時間を止めて、各物体に作用する力の合計を計算し、その正味の力に基づいて各物体を動かします。

そして時間を少しずつ進めていく、ということを繰り返します。

「AbacusSummit」では、この方法で膨大な数の粒子を扱うことができました。

巧妙なコードと新しい数値計算法、そして膨大な計算能力のおかげです。

「AbacusSummit」のスーパーコンピュータは、チームが計算を行った時点では世界最速でした。

チームは、複数の計算を同時に行うことができるSummitの並列処理能力を最大限に活用するために、「Abacus」と呼ばれるコードベースを設計しました。

Summitには、並列処理を得意とするGPU(Graphics Processing Unit)が多数搭載されています。

N体の計算を並列処理で行うには、シミュレーション全体を保存するためにかなりの量のメモリを必要とするため、慎重なアルゴリズム設計が求められます。

そこで「Abacus」では、各シミュレーションをグリッドに分割しています。

最初の計算では、シミュレーションの任意の時点での遠方の粒子の影響の公正な近似値が得られます。(遠くの粒子は近くの粒子よりもはるかに小さい役割を果たします。)

その後、「Abacus」は近くのセルをグループ化して分割し、コンピュータがそれぞれのグループを独立して処理できるようにして、遠くの粒子の近似値と近くの粒子の正確な計算を組み合わせます。

「Abacus」では、粒子が重力によって移動する様子を計算する際に、並列処理を利用して飛躍的なスピードアップを図っています。

「Abacus」では、粒子が重力によって移動する様子を計算する際に、並列処理を利用して飛躍的なスピードアップを図っています。逐次処理(上)では、2つの粒子間の引力を1つずつ計算します。並列処理(下)では、複数の計算コアに処理を分担させることで、複数の粒子の相互作用を同時に計算することができます。©Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation

大規模なシミュレーションでは、粒子の分布に応じて不規則にシミュレーションを分割する他のN体コードベースに比べて、「Abacus」のアプローチが大幅に改善されることが分かりました。

「AbacusSummit」で採用されている均一な分割方法は、並列処理をより効果的に利用することができるとのことです。

さらに、「Abacus」のグリッドアプローチの規則性により、シミュレーションを開始する前に遠方粒子近似の計算を大量に行うことができます。

このような設計により、「Abacus」は、Summitスーパーコンピュータの1ノードあたり、毎秒7,000万個の粒子を更新することができます(各粒子は、太陽の30億倍の質量を持つダークマターの塊を表しています)。

このコードは、実行中のシミュレーションを解析して、今後の調査で注目されている明るい星形成銀河を示すダークマターのパッチを探すこともできます。

「私たちのビジョンは、この新しいブランドの銀河調査に必要なシミュレーションを提供するために、このコードを作成することでした。私たちは、これまでよりもはるかに速く、はるかに正確にシミュレーションを行うためのコードを作成しました。」とGarrison氏は言います。

ダークエネルギースペクトル分析装置(DESI)の共同研究者であるEisenstein氏は、宇宙の前例のない部分の地図を作成するための調査を最近開始しましたが、今後も「Abacus」を使いたいと考えています。

「宇宙論が飛躍的に進歩しているのは、素晴らしい観測結果と最先端のコンピュータが学際的に融合しているからです。これからの10年は、宇宙の歴史的な広がりを研究する上で素晴らしい時代になるでしょう。」と語っています。

「Abacus」と「AbacusSummit」の共同開発者には、スタンフォード大学のSihan Yuan氏、アリゾナ大学のPhilip Pinto氏、イギリス・ダラム大学のSownak Bose氏、天体物理学センターのBoryana Hadzhiyska氏、Thomas Satterthwaite氏、Douglas Ferrer氏がいます。

シミュレーションは、Advanced Scientific Computing Research Leadership Computing Challengeの配分を受けて、Summitスーパーコンピュータ上で行われました。

Published by Simons Foundation. Nina A Maksimova et al., ABACUSSUMMIT: a massive set of high-accuracy, high-resolution N-body simulations. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society(2021). DOI: 10.1093/mnras/stab2484., Lehman H Garrison et al., The ABACUS cosmological N-body code. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society(2021). DOI: 10.1093/mnras/stab2482.