Menerobos kode astrofisika bekerja pada pemodelan tabrakan bintang dengan cepat

Kredit: Sagiv Shiber, LSU

“Octo-Tiger”, kode astrofisika canggih, mensimulasikan evolusi sistem gravitasi otonom dan rotasi geometri sembarang menggunakan pengoptimalan jaringan adaptif dan metode baru keseimbangan blade untuk mencapai kecepatan ultra-cepat.

Kode baru ini untuk memodelkan tabrakan bintang lebih cepat daripada kode yang digunakan untuk simulasi numerik. Penelitian ini berasal dari kolaborasi unik antara ilmuwan komputer eksperimental dan astrofisikawan di Departemen Fisika dan Astronomi LSU, Pusat Komputasi dan Teknologi LSU, Universitas Indiana Kokomo, dan Universitas Macquarie, Australia, dan memuncak dalam lebih dari satu tahun pengujian standar dan simulasi ilmiah, didukung oleh berbagai hibah NSF, Termasuk satu yang dirancang khusus untuk mendobrak penghalang antara ilmu komputer dan astrofisika.

“Berkat banyak upaya melalui kolaborasi ini, kami sekarang memiliki kerangka algoritme yang andal untuk mensimulasikan penggabungan bintang,” kata Patrick Motel, profesor fisika di Indiana University Kokomo. “Dengan sangat mengurangi waktu komputasi untuk menyelesaikan simulasi, kami dapat mulai mengajukan pertanyaan baru yang tidak dapat dijawab ketika simulasi fusi tunggal terlalu berharga dan memakan waktu. Kami dapat menjelajahi lebih banyak ruang parameter, memeriksa simulasi dengan spasial yang sangat tinggi. akurasi atau untuk periode yang lebih lama setelah penggabungan, Kami dapat memperluas simulasi ke model fisik yang lebih lengkap dengan mengintegrasikan transportasi radiasi, misalnya. ”

Film ini menampilkan simulasi Octo-Tiger dari dua orang Katai putih Bintang-bintang mengorbit satu sama lain. Kami melihat kedua bintang saat mereka mulai menyatu. Warna menunjukkan seberapa padat suatu gas di orbit atau bidang tengah, dengan warna coklat menunjukkan gas yang lebih padat dan biru yang kurang padat. Panah menunjukkan kecepatan gas. Panah merah menunjukkan kecepatan setinggi 1.000 km / s dan panah biru menunjukkan kecepatan serendah 1 km / s. Waktu dalam detik ditampilkan di sudut kiri atas. Sistem biner awalnya menyelesaikan orbit setiap dua menit dan total waktu simulasi kurang dari dua jam, yang mewakili jam-jam terakhir dalam kehidupan biner ini sebelum digabungkan. Kredit: Sagiv Shiber, LSU

Baru-baru ini diterbitkan dalam Pemberitahuan Bulanan Royal Astronomical Society, “Octo-Tiger: Kode Hidrodinamik 3D Baru untuk Merger Stellar Menggunakan HPX Parallelisation”, menyelidiki kinerja dan akurasi kode dengan tes benchmark. Penulis d. Dominic C. Marcelo adalah peneliti postdoctoral. Sajiv Scheiber, Peneliti Pascadoktoral, Dr. Profesor Johann Frank; Geoffrey C. Clayton, profesor; Dr. Dr. Patrick Dell, Ilmuwan Riset; Dan Dr. Hartmut Kaiser, seorang ilmuwan peneliti dari Louisiana State University – bersama dengan kolaborator Dr. Ursula de Marco, profesor di Macquarie University dan Dr. Patrick M. Motell, profesor di Indiana University Cocomo – membandingkan hasil mereka dengan solusi analitis, saat mereka tahu, dan kode berbasis jaringan lainnya Seperti FLASH yang terkenal. Selain itu, mereka menghitung interaksi dua katai putih dari perpindahan massa awal hingga penggabungan dan membandingkan hasilnya dengan simulasi sistem serupa sebelumnya.

“Sebuah tes pada superkomputer tercepat Australia, Gadi (# 25 dalam daftar 500 teratas dunia), telah menunjukkan bahwa Octo-Tiger, yang memiliki lebih dari 80.000 inti, menunjukkan kinerja yang sangat baik untuk model bintang besar yang tertanam,” kata de Marco. “Dengan Octo-Tiger, kami tidak hanya dapat mengurangi waktu tunggu secara drastis, tetapi model kami dapat menjawab banyak pertanyaan yang kami pedulikan.”

Octo-Tiger saat ini dioptimalkan untuk mensimulasikan fusi bintang yang diselesaikan dengan baik yang dapat didekati oleh struktur barotropik, seperti katai putih atau bintang deret utama. Pemecah gravitasi mempertahankan momentum sudut ketepatan instrumen, berkat algoritme koreksi. Kode ini menggunakan paralelisme HPX, memungkinkan tumpang tindih bisnis dan komunikasi dan menghasilkan properti penskalaan yang sangat baik untuk memecahkan masalah besar dalam kerangka waktu yang lebih singkat.

“Makalah ini menunjukkan bagaimana sistem runtime asynchronous berbasis tugas dapat digunakan sebagai alternatif yang layak untuk antarmuka penyampaian pesan untuk mendukung masalah astrofisika penting,” kata Diehl.

Penelitian mengidentifikasi bidang pengembangan saat ini dan yang direncanakan yang bertujuan untuk mengatasi sejumlah fenomena fisik yang terkait dengan pengamatan sementara.

“Sementara minat khusus penelitian kami difokuskan pada merger bintang dan akibatnya, ada berbagai masalah dalam astrofisika komputasi yang dapat diatasi Octo-Tiger melalui infrastruktur fluida gravitasi diri intinya,” kata Motl.

Animasi di bawah ini disiapkan oleh Shiber, yang berkata, “Octo-Tiger menunjukkan performa yang luar biasa di keduanya Kesehatan Dari solusi dan penskalaan hingga puluhan ribu inti. Hasil ini menggambarkan Octo-Tiger sebagai kode ideal untuk pemodelan perpindahan massa dalam sistem biner dan dalam simulasi penggabungan bintang. “

Referensi: “Octo-Tiger: Kode Hidrodinamik 3D Baru untuk Penggabungan Bintang Menggunakan Paralelisme HPX” Dominic C. Marcello, Sajif Scheiber, Ursula de Marco, Johann Frank, Geoffrey C. Clayton, Patrick M Motel, Patrick Dell dan Hartmut Kaiser, 10 April 2021, Pemberitahuan Bulanan dari Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093 / mnras / stab937