Учёные Аргоннской национальной лаборатории сообщили о проведённых двумя крупнейшими на сегодня космологическими симуляциями: в обеих работах эволюция 13,4 триллиона частиц тёмной материи моделировалась в пределах объёма около 28,6 миллиарда световых лет. Выполнил расчёты суперкомпьютер Aurora, способный выполнять более квинтиллиона операций в секунду. В рамках каждого цикла расчёты задействовали примерно 8100 вычислительных узлов и 50 тысяч графических процессоров; сами вычисления и значительная часть анализа данных заняли примерно четыре дня.

Тёмная материя не излучает свет в диапазонах, доступных телескопам, но её гравитационное влияние заметно на формирование галактик и крупномасштабной структуры Вселенной. В моделях частицам отводят роль маркеров траекторий и распределения тёмной материи на протяжении космической истории. Руководитель проекта, вычислительный физик Николас Фронтьер, поясняет, что такие расчёты позволяют изучать космическую инфляцию — гипотезу о крайне быстром расширении Вселенной на ранних этапах её существования. По словам учёного, микроскопические квантовые флуктуации могли развернуться до космических масштабов и стать предшественниками неоднородностей, которые позднее усилила гравитация и привела к современной структуре Вселенной.

Авторы подчёркивают цель симуляций — поиск возможных отклонений от стандартного распределения начальных флуктуаций. Обнаружение таких отклонений могло бы помочь различать конкурирующие модели инфляции. При этом сигнал ожидается слабым, а измерения ограничены космической дисперсией — неопределённостью, возникающей из-за того, что наблюдаемая совокупность данных охватывает лишь конечный объём Вселенной. Поэтому расчёты должны одновременно охватывать огромные пространства и сохранять высокое разрешение, чтобы моделировать гало тёмной материи — скопления, внутри которых формируются галактики.

Особенность методики состоит в том, что две симуляции строились на одной космологической модели и содержали одинаковый сигнал, однако их начальные фазы перевёрнуты. Совместный анализ таких данных позволяет частично нивелировать случайные вариации и более точно оценивать свойства модели. Дополнительно заложенный сигнал скрыт от специалистов, проверяющих методы анализа, чтобы выяснить, способны ли вычислительные процедуры воспроизвести исходное значение без его знания. Расчёты выполнялись на кодовой базе, созданной в Аргоннской лаборатории специально для моделирования космологических процессов на суперкомпьютерах.

Во время двух запусков система хранения Aurora зафиксировала более 85 петабайт данных, преимущественно контрольных копий, обеспечивающих продолжение вычислений после потенциального сбоя; около 8 петабайт выделено под научный анализ. Полученные модели позволят создавать искусственные карты неба и симуляции наблюдений для спектроскопического обзора тёмной энергии DESI и космической миссии NASA SPHEREx. Эти данные должны помочь проверить методы обработки наблюдений и выявлять систематические ошибки до анализа реальных измерений.