Simulation de 13,4 billions de particules de matière noire

Huit mille cent nœuds de calcul, environ 50 000 processeurs graphiques (GPU, les puces qui gèrent des calculs massivement parallèles) et quatre jours. C'est ce qu'il a fallu aux chercheurs du laboratoire national Argonne, rattaché au département américain de l'Énergie, pour achever deux des plus vastes simulations cosmologiques jamais réalisées, modélisant 13,4 billions de particules de matière noire sur une région de 28,6 milliards d'années-lumière de l'univers.

L'objectif est l'inflation cosmique, une période supposée d'expansion extrêmement rapide peu après le Big Bang. L'inflation a étiré d'infimes fluctuations quantiques sur des distances immenses. Sur des milliards d'années, la gravitation a amplifié ces petites variations de densité jusqu'à la vaste toile cosmique de galaxies et de matière noire observée aujourd'hui. La matière noire ne se voit pas à la lumière ordinaire ; les simulations utilisent donc des particules pour retracer sa densité et sa vitesse, ce qui permet aux scientifiques de modéliser l'évolution des structures cosmiques.

L'équipe, dirigée par le chercheur en calcul scientifique d'Argonne Nicholas Frontiere, recherche la non-gaussianité primordiale : de subtils écarts par rapport à la simple distribution statistique prédite par les modèles d'inflation standard. Détecter de tels écarts pourrait aider à distinguer entre des explications concurrentes de l'inflation. Le signal devrait être faible, et la variance cosmique, l'incertitude statistique qui naît lorsque les observations ne couvrent qu'une portion finie de l'univers, peut le dissimuler. Les chercheurs ont donc besoin de simulations qui combinent des volumes énormes et une résolution suffisante pour capturer les halos de matière noire, les structures dans lesquelles se forment les galaxies.

Aurora compte 10 624 nœuds et 63 744 GPU, dotés d'une mémoire à haute capacité et d'un système de stockage conçu pour des flux de données gigantesques. Les calculs ont généré plus de 85 pétaoctets de données, principalement des points de sauvegarde qui permettent de reprendre un calcul après une interruption au lieu de tout recommencer ; l'équipe a conservé environ 8 pétaoctets pour l'analyse scientifique. Le code utilisé, Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC), a été conçu pour exécuter de grandes simulations cosmologiques sur différentes architectures de supercalcul. Contrairement à un projet antérieur mené sur le système Frontier du laboratoire national d'Oak Ridge, qui modélisait la gravitation avec le gaz, les étoiles et d'autres processus, les calculs sur Aurora ne modélisent que la gravitation. Ce choix a permis à l'équipe de couvrir un volume plus grand avec davantage de particules.

Les astronomes qui travaillent avec DESI et la mission SPHEREx de la NASA sont les premiers à en tirer profit. Les deux simulations partagent le même modèle cosmologique et le même signal non gaussien, mais leurs phases initiales sont inversées, si bien que les analyser ensemble annule une partie des variations aléatoires. Leur intensité de signal est dissimulée, ce qui permet aux chercheurs de tester des méthodes d'analyse sans connaître le résultat à l'avance. Les observations synthétiques qui en résultent doivent valider les flux de travail et repérer d'éventuels biais avant leur application aux données réelles, au moment où les relevés gagnent en finesse. Le projet a bénéficié de temps de calcul accordé par le programme INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment) du département américain de l'Énergie.