Моделирование охватило область шириной 28,6 млрд световых лет и поможет проверить методы поиска следов инфляции ранней Вселенной по данным астрономических обзоров Учёные Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США провели две крупнейшие на сегодняшний день космологические симуляции: в каждой моделировалась эволюция 13,4 трлн частиц тёмной материи в области шириной 28,6 млрд световых лет. Расчёты выполнил суперкомпьютер Aurora, способный производить более квинтиллиона операций в секунду. Каждая симуляция задействовала около 8100 вычислительных узлов и 50 000 графических процессоров, а сами расчёты и значительная часть анализа данных заняли примерно четыре дня. Тёмная материя не излучает в диапазонах, которые могли бы регистрировать телескопы, однако её гравитация влияет на формирование галактик и крупномасштабной структуры Вселенной. В симуляциях частицы служат способом проследить распределение и движение тёмной материи на протяжении космической истории. Руководитель проекта, вычислительный физик Николас Фронтьер, объясняет, что расчёты нужны, в частности, для изучения космической инфляции — предполагаемого периода чрезвычайно быстрого расширения Вселенной на раннем этапе её существования. Согласно этой теории, микроскопические квантовые флуктуации могли растянуться до космических масштабов, а затем стать зародышами неоднородностей, которые гравитация усилила и превратила в современную космическую структуру. Источник изображения: Argonne National Laboratory Учёные ищут возможные отклонения от стандартного статистического распределения начальных флуктуаций. Если такие отклонения удастся обнаружить, то они могут помочь различить конкурирующие модели инфляции. Однако ожидаемый сигнал слаб, а измерения ограничены космической дисперсией — статистической неопределённостью, возникающей из-за того, что наблюдения охватывают лишь конечный объём Вселенной. Поэтому расчёты должны одновременно охватывать огромные пространства и сохранять достаточное разрешение, чтобы моделировать гало тёмной материи — скопления, внутри которых формируются галактики. Две симуляции построены на одной космологической модели и содержат одинаковый сигнал, но начальные фазы в них перевёрнуты. При совместном анализе это позволяет частично компенсировать случайные вариации и точнее оценивать свойства модели. Кроме того, сила заложенного сигнала скрыта от специалистов, которые проверяют методы анализа: так они могут выяснить, способны ли их вычислительные процедуры восстановить исходное значение, не зная его заранее. Для расчётов использовали код, разработанный в Аргоннской лаборатории для моделирования космологических процессов на суперкомпьютерах. Во время двух запусков система хранения Aurora записала более 85 петабайт данных, преимущественно контрольных копий, позволяющих продолжить вычисления после возможного сбоя; около 8 петабайт сохранили для научного анализа. Полученные модели позволят создавать искусственные карты всего неба и имитации наблюдений для спектроскопического обзора тёмной энергии DESI и космической миссии NASA SPHEREx. Эти данные помогут проверить методы обработки наблюдений и выявлять систематические ошибки до анализа реальных измерений.