Superordenador simula 13,4 billones de partículas de materia oscura

Ocho mil cien nodos de computación, unas 50.000 unidades de procesamiento gráfico (GPU, los chips que ejecutan cálculos masivamente paralelos) y cuatro días. Eso fue lo que necesitaron los investigadores del Laboratorio Nacional de Argonne, del Departamento de Energía de Estados Unidos, para completar dos de las mayores simulaciones cosmológicas jamás realizadas, con 13,4 billones de partículas de materia oscura modeladas en una región del universo de 28.600 millones de años luz.

El objetivo es la inflación cósmica, un periodo propuesto de expansión extremadamente rápida poco después del Big Bang. La inflación estiró diminutas fluctuaciones cuánticas a lo largo de distancias enormes. Con el paso de miles de millones de años, la gravedad amplificó esas pequeñas variaciones de densidad hasta formar la red cósmica a gran escala de galaxias y materia oscura que se observa hoy. La materia oscura no puede verse con luz ordinaria, así que las simulaciones emplean partículas para rastrear su densidad y su velocidad, lo que permite a los científicos modelar cómo evolucionaron las estructuras cósmicas.

El equipo, dirigido por el científico computacional de Argonne Nicholas Frontiere, busca la no gaussianidad primordial: desviaciones sutiles respecto de la distribución estadística simple que predicen los modelos inflacionarios estándar. Detectar tales desviaciones podría ayudar a distinguir entre explicaciones rivales de la inflación. Se espera que la señal sea débil, y la varianza cósmica, la incertidumbre estadística que surge cuando las observaciones abarcan solo una porción finita del universo, puede ocultarla. Por ello, los investigadores necesitan simulaciones que combinen volúmenes enormes con suficiente resolución para captar los halos de materia oscura, las estructuras en las que se forman las galaxias.

Aurora cuenta con 10.624 nodos y 63.744 GPU, con memoria de gran capacidad y un sistema de almacenamiento diseñado para flujos de datos enormes. Las ejecuciones generaron más de 85 petabytes de datos, en su mayoría puntos de control que permiten reanudar un cálculo tras una interrupción en lugar de empezar de nuevo, y el equipo conservó unos 8 petabytes para el análisis científico. El código utilizado, el Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC), fue diseñado para ejecutar grandes simulaciones cosmológicas en distintas arquitecturas de supercomputación. A diferencia de un proyecto anterior en el sistema Frontier del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, que modeló la gravedad junto con el gas, las estrellas y otros procesos, las ejecuciones en Aurora solo modelan la gravedad. Esa decisión permitió al equipo abarcar un volumen mayor con más partículas.

Los astrónomos que trabajan con DESI y con la misión SPHEREx de la NASA son los primeros en beneficiarse de este trabajo. Las dos simulaciones comparten el mismo modelo cosmológico y la misma señal no gaussiana, pero sus fases iniciales están invertidas, de modo que analizarlas juntas cancela parte de la variación aleatoria. Su intensidad de señal permanece oculta, lo que permite a los investigadores probar métodos de análisis sin conocer de antemano la respuesta. Las observaciones sintéticas resultantes están destinadas a validar los flujos de trabajo e identificar posibles sesgos antes de aplicarlos a datos reales, a medida que los sondeos reúnen observaciones cada vez más detalladas. El proyecto recibió tiempo de computación a través del programa INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment) del Departamento de Energía.