Учёные Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США выполнили две крупнейшие на сегодняшний день космологические симуляции. В каждой из них моделировалась эволюция 13,4 трлн частиц тёмной материи в области шириной 28,6 млрд световых лет, то есть суммарно 26,8 трлн частиц.

Расчёты провёл суперкомпьютер Aurora, производящий более квинтиллиона операций в секунду. Каждая симуляция задействовала около 8100 вычислительных узлов и 50 000 графических процессоров, а сами вычисления и значительная часть анализа данных заняли примерно четыре дня.

Тёмная материя не излучает в диапазонах, доступных телескопам, но её гравитация влияет на формирование галактик и крупномасштабной структуры Вселенной. В симуляциях частицы позволяют проследить распределение и движение тёмной материи на протяжении космической истории.

Руководитель проекта, вычислительный физик Николас Фронтьер поясняет, что расчёты нужны, в частности, для изучения космической инфляции — предполагаемого периода чрезвычайно быстрого расширения Вселенной на раннем этапе. По этой теории микроскопические квантовые флуктуации могли растянуться до космических масштабов и стать зародышами неоднородностей, которые затем усилила гравитация.

Учёные ищут отклонения от стандартного статистического распределения начальных флуктуаций: если их удастся обнаружить, они помогут различить конкурирующие модели инфляции. Однако ожидаемый сигнал слаб, а измерения ограничены космической дисперсией, поэтому расчёты должны охватывать огромные пространства и сохранять разрешение, достаточное для моделирования гало тёмной материи.

Две симуляции построены на одной космологической модели и содержат одинаковый сигнал, но начальные фазы в них перевёрнуты; совместный анализ позволяет частично компенсировать случайные вариации. Сила заложенного сигнала скрыта от специалистов, проверяющих методы анализа, чтобы выяснить, способны ли их процедуры восстановить исходное значение, не зная его заранее.

Во время двух запусков система хранения Aurora записала более 85 петабайт данных, преимущественно контрольных копий для продолжения вычислений после возможного сбоя; около 8 петабайт сохранили для научного анализа. Полученные модели позволят создавать искусственные карты всего неба и имитации наблюдений для спектроскопического обзора тёмной энергии DESI и миссии NASA SPHEREx, чтобы проверять методы обработки данных и выявлять систематические ошибки до анализа реальных измерений.