Un supercomputer simula 13,4 bilioni di particelle di materia oscura

8.100 nodi di calcolo, circa 50.000 unità di elaborazione grafica (GPU, i chip che gestiscono calcoli massicciamente paralleli) e quattro giorni. È ciò che è servito ai ricercatori del Dipartimento dell'Energia statunitense, presso l'Argonne National Laboratory, per completare due delle più grandi simulazioni cosmologiche mai realizzate, modellando 13,4 bilioni di particelle di materia oscura in una regione dell'universo di 28,6 miliardi di anni luce.

L'obiettivo è l'inflazione cosmica, un periodo ipotizzato di espansione estremamente rapida poco dopo il Big Bang. L'inflazione ha dilatato minuscole fluttuazioni quantistiche su distanze enormi. Nel corso di miliardi di anni, la gravità ha amplificato queste piccole variazioni di densità fino alla rete cosmica su larga scala di galassie e materia oscura osservata oggi. La materia oscura non può essere vista con la luce ordinaria, quindi le simulazioni usano particelle per tracciarne densità e velocità, il che permette agli scienziati di modellare come si sono evolute le strutture cosmiche.

Il team, guidato dallo scienziato computazionale di Argonne Nicholas Frontiere, cerca la non gaussianità primordiale: lievi scostamenti dalla semplice distribuzione statistica prevista dai modelli inflazionistici standard. Rilevare tali deviazioni potrebbe aiutare a distinguere tra le spiegazioni concorrenti dell'inflazione. Il segnale dovrebbe essere debole, e la varianza cosmica, l'incertezza statistica che nasce quando le osservazioni coprono solo una porzione finita dell'universo, può oscurarlo. Servono quindi simulazioni che combinino volumi enormi con una risoluzione sufficiente a catturare gli aloni di materia oscura, le strutture in cui si formano le galassie.

Aurora ha 10.624 nodi e 63.744 GPU, con memoria ad alta capacità e un sistema di archiviazione progettato per flussi di dati enormi. Le simulazioni hanno generato più di 85 petabyte di dati, per lo più checkpoint, che permettono a un calcolo di riprendere dopo un'interruzione invece di ripartire da zero; il team ne ha conservati circa 8 petabyte per l'analisi scientifica. Il codice utilizzato, l'Hardware/Hybrid Accelerated Cosmology Code (HACC), è stato concepito per eseguire grandi simulazioni cosmologiche su diverse architetture di supercalcolo. A differenza di un precedente progetto sul sistema Frontier dell'Oak Ridge National Laboratory, che modellava la gravità insieme a gas, stelle e altri processi, le simulazioni su Aurora modellano solo la gravità. Questa scelta ha permesso al team di coprire un volume più grande con più particelle.

Gli astronomi che lavorano con DESI e con la missione SPHEREx della NASA sono i primi a trarne vantaggio. Le due simulazioni condividono lo stesso modello cosmologico e lo stesso segnale non gaussiano, ma le loro fasi iniziali sono invertite, quindi analizzarle insieme elimina parte della variazione casuale. La loro intensità di segnale è nascosta, il che permette ai ricercatori di testare i metodi di analisi senza conoscere in anticipo la risposta. Le osservazioni sintetiche che ne risultano servono a validare i flussi di lavoro e a individuare possibili distorsioni prima che vengano applicati ai dati reali, mentre le rilevazioni raccolgono osservazioni sempre più dettagliate. Il progetto ha ottenuto tempo di calcolo attraverso il programma INCITE (Impatto computazionale innovativo e originale su teoria ed esperimento) del Dipartimento dell'Energia.