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Rekord-Simulationen sollen Spuren des frühen Universums aufdecken
Die Frühzeit des Universums hinterließ möglicherweise winzige Spuren in der heutigen Verteilung von Galaxien. Um sie aufzuspüren, haben Forscher zwei gewaltige kosmologische Simulationen mit jeweils 13,4 Billionen Teilchen abgeschlossen. Ein besonderer Vergleich beider Modellwelten soll künftig helfen, solche schwachen Signale in den Daten großer Himmelsdurchmusterungen besser von zufälligen Schwankungen zu unterscheiden.
Lemont (U.S.A.). Dunkle Materie ist selbst unsichtbar, doch ihre Schwerkraft prägt die Bildung von Galaxien und den Aufbau des kosmischen Netzes. Um diese Entwicklung über Milliarden Jahre nachzuzeichnen, berechnen Kosmologen die Bewegungen gewaltiger Mengen virtueller Materieteilchen. Je mehr Raum ein Modell umfasst, desto schwieriger wird es allerdings, zugleich kleinere Strukturen in ausreichender Auflösung zu erfassen.
Der Aufwand könnte sich lohnen. Denn in der Verteilung der Materie könnten noch schwache Hinweise auf die kosmische Inflation verborgen sein, eine hypothetische Phase extrem schneller Expansion kurz nach dem Urknall. Welche physikalischen Vorgänge diese frühe Ausdehnung antrieben, ist weiterhin ungeklärt. Gesucht werden insbesondere Abweichungen von der erwarteten statistischen Verteilung der ursprünglichen Dichteschwankungen.
Forscher des Argonne National Laboratory (ANL) um Projektleiter Nicholas Frontiere haben dafür jetzt auf dem Supercomputer Aurora zwei besonders groß angelegte Simulationen abgeschlossen. Sie sollen nicht selbst das Rätsel der Inflation lösen, sondern verlässliche Testdaten für die Auswertung astronomischer Beobachtungen bereitstellen.
Jeder der beiden Rechenläufe verfolgt rund 13,4 Billionen Modellteilchen in einem würfelförmigen Raumbereich mit einer Kantenlänge von 28,6 Milliarden Lichtjahren. Die Teilchen stehen für die Verteilung und Bewegung der Dunklen Materie. Mit dem Programm Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC) berechnete das Team ausschließlich deren gravitative Entwicklung. Vorgänge wie Gasströmungen und Sternentstehung waren nicht Bestandteil dieser Modelle.
Pro Simulation kamen 8.100 Rechenknoten und etwa 50.000 Grafikprozessoren des Exascale-Rechners Aurora zum Einsatz. Die beiden Durchläufe und ein Großteil der Datenauswertung waren nach etwa vier Tagen abgeschlossen. Gegenüber früheren hydrodynamischen Modellen, die zusätzliche physikalische Prozesse berücksichtigen, erlaubt der auf die Gravitation beschränkte Ansatz einen besonders großen Simulationsraum.
„In jedem Rechenlauf wurde die Entwicklung von mehr als 13 Billionen Teilchen auf 8.100 Aurora-Rechenknoten berechnet“, erklärt Nicholas Frontiere.
Nicht nur die Berechnung, auch das Speichern stellte hohe Anforderungen. Über das Speichersystem Distributed Asynchronous Object Storage (DAOS) schrieben die beiden Simulationen insgesamt mehr als 85 Petabyte an Daten, vor allem als Sicherungsstände für einen möglichen Neustart. Etwa acht Petabyte blieben für die wissenschaftliche Analyse erhalten. Die große geschriebene Datenmenge ist somit nicht mit dem dauerhaft gespeicherten Ergebnis gleichzusetzen.
Entscheidend ist neben der Größe auch die Konstruktion des Simulationspaars. Beide Rechenläufe nutzen dasselbe kosmologische Modell und dasselbe vorgegebene Signal einer sogenannten primordialen Nicht-Gaußförmigkeit. Dabei handelt es sich um eine Abweichung von der einfachen statistischen Verteilung, die viele Inflationsmodelle für frühe Dichteschwankungen vorhersagen. Die zufälligen Anfangsphasen der beiden Simulationen sind allerdings jeweils umgekehrt.
„Die Simulationen funktionieren wie statistische Spiegelbilder“, erklärt Nicholas Frontiere.