[論文レビュー] Simulating Cosmic Reionization

Ilian T. Iliev, Paul R. Shapiro+3 more|ArXiv.org|Jun 17, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 21被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、$3072^3$粒子のN体シミュレーションと高速なレイトラーシング放射移動コード（C²-Ray）を用いて、矮星銀河からの電離放射のモデル化を伴い、宇宙再イオン化に関するこれまでで最大かつ最も詳細な宇宙論的シミュレーションを提示している。主な結果は、自己整合的で高解像度のイオン化トポロジーとホールマス関数のシミュレーションであり、シェス・トーマンのマス関数と良好に一致しており、宇宙間媒体内における複雑で変化するイオン化バブル構造が明らかになった。

ABSTRACT

The Cosmic Dark Ages and the Epoch of Reionization constitute a crucial missing link in our understanding of the evolution of the intergalactic medium and the formation and evolution of galaxies. Due to the complex nature of this global process it is best studied through large-scale numerical simulations. This presents considerable computational challenges. The dominant contributors of ionizing radiation were dwarf galaxies. These tiny galaxies must be resolved in very large cosmological volumes in order to derive their clustering properties and the corresponding observational signatures correctly, which makes this one of the most challenging problems of numerical cosmology. We have recently performed the largest and most detailed simulations of the formation of early cosmological large-scale structures and their radiative feedback leading to cosmic reionization. This was achieved by running extremely large (up to 29 billion-particle) N-body simulations of the formation of the Cosmic Web, with enough particles and sufficient force resolution to resolve all the galactic halos with total masses larger than 10^8 Solar masses in computational volumes of up to (163 Mpc)^3. These results were then post-processed by propagating the ionizing radiation from all sources by using fast and accurate ray-tracing radiative transfer method. Both of our codes are parallelized using a combination of MPI and OpenMP and to this date have been run efficiently on up to 2048 cores (N-body) and up to 10000 cores (radiative transfer) on the newly-deployed Sun Constellation Linux Cluster at the Texas Advanced Computing Center. In this paper we describe our codes, parallelization strategies, scaling and some preliminary scientific results. (abridged)

研究の動機と目的

• 宇宙再イオン化期における初期の大規模構造の形成とその放射フィードバックをシミュレートすること。
• 宇宙論的体積において100万太陽質量以上のすべての銀河ホールを解像すること（最大$114/h\,\text{Mpc}^3$）。
• 高速かつ並列化された放射移動を用いて、数百万の源からの電離放射の伝播を正確にモデル化すること。
• 源のクラスタリングおよび数密度が再イオン化の観測的シグネチャに与える影響を評価すること。
• エクサスケール宇宙論的シミュレーションに適した高度なN体および放射移動コードの開発とスケーリングを行うこと。

提案手法

• 64/h\,\text{Mpc}^3$から$114/h\,\text{Mpc}^3$の体積において、$1728^3$から$3072^3$粒子を用いたCubeP³M N体コードを用いて、ダークマター構造形成をシミュレートした。
• 最大数百万の源からのイオン化フロントを3次元で計算するために、高速かつ並列化されたレイトラーシング手法（C²-Ray）を適用した。
• N体シミュレーションと後処理による放射移動を組み合わせ、宇宙間媒体内の非平衡イオン化化学をモデル化した。
• MPIおよびOpenMPを用いて、CubeP³Mを2048コア、C²-RayをRangerスーパーコンピュータ上で10,000コアにスケーリングした。
• ホールマス関数の妥当性を検証するため、シェス・トーマンのマス関数をベンチマークとして用いた。
• 40〜50粒子以上を持つホールのためのグリッドベースのホールファインダを実装し、より小さなホールに対してグリッド非依存の手法の開発を計画している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100万太陽質量以上の矮星銀河のクラスタリングおよび数密度が、再イオン化期におけるイオン化バブルのトポロジーにどのように影響を与えるか？
• RQ2 シミュレーション体積および宇宙分散が、レアで高質量のホールの形成赤方偏移と頻度にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 プレス＝シェクター・モデルと比較して、大規模な再イオン化シミュレーションにおけるシェス・トーマンのマス関数は、ホールマス関数をどの程度正確に記述できるか？
• RQ4 力の分解能および力のソフトニングが、小さなホールの力学的挙動とその電離フィードバックに与える影響は何か？
• RQ5 ガスの形成構造におけるフィードバック効果をモデル化するにあたり、N体および放射移動コードをどのように効率的に結合できるか？

主な発見

• $z=6$におけるシミュレーションのホールマス関数は、解析的に予測されたシェス・トーマン関数と良好に一致しており、プレス＝シェクター・モデルと比較してはるかに良好な一致を示した。
• 2つの最大シミュレーションにおいて、崩壊率とアクティブな源の数は、体積の違いにもかかわらず数パーセント以内で一致した。
• 163\,\text{Mpc}^3$のボックスでは最初のホールが$z \sim 30$に形成され、91\,\text{Mpc}^3$のボックスでは$z \sim 27$に形成された。差異は宇宙分散およびボックスサイズ効果に起因するとされた。
• イオン化トポロジーは、複雑で変化するイオン化バブルと中性領域のネットワークを示しており、再イオン化が顕著に不均一であることを示唆した。
• 3072^3$粒子解像度（290億粒子）を達成したが、Rangerスーパーコンピュータのリソースのわずか3％程度しか使用しなかったため、さらに大きなシミュレーションが可能であると示唆された。
• 著者らは、現在のハードウェアで最大1650億粒子のシミュレーションが可能であり、観測可能な宇宙の全容積を$h^{-1}\text{Gpc}^3$スケールでシミュレート可能になると予測している。