[論文レビュー] DEUS Full Observable ΛCDM Universe Simulation: the numerical challenge

Jean‐Michel Alimi, Vincent Bouillot+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 5被引用数 28

ひとこと要約

本論文は、CURIEスパコンを用いて、5500億個の粒子を用い、950億光年の領域をカバーするΛCDMモデルにおける、最初の完全な観測可能な宇宙のN体シミュレーションを提示する。極めて高い分解能と動的レンジを達成し、バリオン音響振動（BAO）の痕跡を明らかにするとともに、10¹⁴ M⊙を超える1億4400万個のハローを検出。最も大きなハローは15京分の1 M⊙に達し、ダークエネルギーおよび大規模構造の研究において重要な知見を提供する。

ABSTRACT

We have performed the first-ever numerical N- body simulation of the full observable universe (DEUS "Dark Energy Universe Simulation" FUR "Full Universe Run"). This has evolved 550 billion particles on an Adaptive Mesh Refinement grid with more than two trillion computing points along the entire evolutionary history of the universe and across 6 order of magnitudes length scales, from the size of the Milky Way to that of the whole observable universe. To date, this is the largest and most advanced cosmological simulation ever run. It provides unique information on the formation and evolution of the largest structure in the universe and an exceptional support to future observational programs dedicated to mapping the distribution of matter and galaxies in the universe. The simulation has run on 4752 (of 5040) thin nodes of BULL supercomputer CURIE, using more than 300 TB of memory for 10 million hours of computing time. About 50 PBytes of data were generated throughout the run. Using an advanced and innovative reduction workflow the amount of useful stored data has been reduced to 500 TBytes.

研究の動機と目的

• ミルキーウェイから宇宙の境界まで6桁のスケールをカバーする、観測可能な宇宙全体をΛCDMモデルでシミュレートすること。
• 極めて広い動的レンジと粒子数を有する大規模構造形成の数値的課題を克服すること。
• 宇宙のゆらぎを最小限に抑える十分な体積と分解能を有する宇宙論的シミュレーションを提供し、将来的な観測計画を支援すること。
• ダークエネルギーが構造形成に与える影響を検証するため、初期宇宙から現在に至るまでのダークマターの進化を追跡すること。

提案手法

• 950億光年のボックスと5500億個の粒子を用い、アダプティブメッシュリファインメント（AMR）コードであるRAMSESを採用。
• 4752ノード、300TBのメモリ、1000万CPU時間を持つCURIEスパコンを用いてシミュレーションを実行。
• I/Oおよびバックアップの効率化を図るため、PFOF-Multiを用いたカスタムデータ圧縮パイプラインを導入し、小規模ファイルを10GB以上の大きなファイルに統合。
• ハロー検出にはフォンド・オブ・フォンズ（FoF）アルゴリズムを適用し、パワー スペクトルの計算を実施する多段階のデータ処理ワークフローを実装。
• MPIタスク間の負荷分散を最適化するため、空間分割にペアノ-ヒルベルト曲線を採用。
• POWERGRID-DEUSアプリケーションを用いて結果を検証し、パワー スペクトルを解析的期待値と照合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ΛCDMモデル下で、ビッグバンから現在に至るまでの観測可能な宇宙全体におけるダークマターの分布はどのように進化するか？
• RQ2 最大スケールにおけるダークマターのハロー質量関数は、ダークエネルギーの存在下でも普遍性を保っているか？
• RQ3 バリオン音響振動（BAO）は、宇宙の時間経過に伴い物質パワー スペクトルにどの程度正確に痕跡を残すか？
• RQ4 観測可能な宇宙における最も巨大なダークマターのハローの形成歴史はどのようなものか？
• RQ5 大規模シミュレーションを用いて、赤方偏移空間における全天空3次元ダークマター分布を正確に再構築できるか？

主な発見

• 10¹⁴ M⊙を超えるダークマターのハローが合計1億4400万個検出され、宇宙のゆらぎを最小限に抑えた宇宙論的推論のためのサンプルが得られた。
• 現在の観測可能な宇宙で最も大きなハローは15京分の1 M⊙の質量を有し、階層的合体によって形成された。
• 質量が10¹⁴ M⊙以上の最初のハローは、宇宙がたった20億年であった頃に形成された。
• 物質パワー スペクトルは、小スケールでの非線形歪みを伴いながらも、バリオン音響振動の痕跡を画期的な精度で明らかにした。
• 本シミュレーションは、CMBから現在の宇宙に至るまでをカバーする、最初の全天空3次元ダークマター分布を赤方偏移空間に生成した。
• データ圧縮パイプラインにより、元の出力50ペタバイトを500テラバイトの有用データに圧縮し、効率的な保存と解析を可能にした。