[論文レビュー] Skies And Universes: Accessing cosmological simulations and theoretical predictions

Anatoly Klypin, Francisco Prada+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2017

Scientific Research and Discoveries被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、スケールの大きな宇宙論的シミュレーションデータ——生の粒子ファイルや観測モックアップを含む——を直接ダウンロード可能にする、コミュニティ主導のデータリポジトリ「Skies and Universes」を提案する。このリポジトリは、制限的なデータベースクエリに依存しない形で、テラバイト規模のデータを一般に公開可能にしている。本プロジェクトは、限定的なインフラでさえも、高精度なシミュレーション結果の広範な配布が可能であることを示しており、理論と観測の間の協働を促進するとともに、長期的な科学的再利用を支援する。

ABSTRACT

Numerical simulations play a key important role in modern cosmology. Examples are plenty including the cosmic web - large scale structure of the distribution of galaxies in space - which was first observed in N-body simulations and later discovered in observations. The cuspy dark matter halo profiles, the overabundance of satellites, the Too-Big-Too-Fail problem are other examples of theoretical predictions that have a dramatic impact on recent developments in cosmology and galaxy formation. Large observational surveys such as e.g. SDSS, Euclid, and LSST are intimately connected with extensive cosmological simulations that provide statistical errors and tests for systematics. Accurate predictions for baryonic acoustic oscillations and redshift space distortions from high-resolution and large-volume cosmological simulations are required for interpretation of these large-scale galaxy/qso surveys. However, most of the results from extensive computer simulations, that would be greatly beneficial if publicly available, are still in hands of few research groups. Even when the simulation data is available, sharing vast amounts of data can be overwhelming. We argue that there is an effective and simple path to expand the data access and dissemination of numerous results from different cosmological models. Here we demonstrate that public access can be effectively provided with relatively modest resources. Among different results, we release for the astronomical community terabytes of raw data of th popular Bolshoi and MultiDark simulations. We also provide numerous results that are focused on mimicking observational data and galaxy surveys for major projects. Skies and Universes is a community effort: data are produced and shared by many research groups. We offer to other cosmologists and astronomers to host their data products in the skiesanduniverses.org space.

研究の動機と目的

• 高精度な宇宙論的シミュレーションデータへのアクセスが制限されてきた長年の課題に対処すること。これらのデータは、しばしば少数の研究グループに限定されている。
• SQLクエリに依存し、大容量データのダウンロードができない既存のデータポータルの限界を克服すること。
• Bolshoi や MultiDark のような高品質なシミュレーションを、生データおよび処理済みデータへの直接アクセスによって、長期的な科学的再利用を可能にすること。
• 理論的宇宙論と大規模な観測調査（例：SDSS、LSST、Euclid）の間の協働を促進するために、モック銀河カタログや観測プロキシを共有すること。
• 最小限のインフラ投資で、スケーラブルでコミュニティ主導のモデルを採用し、他の研究グループが自らのデータを貢献できる仕組みを確立すること。

提案手法

• 粒子ファイルやハロー・カタログを含む生のシミュレーションデータを、空間的に分割されたボックスに分け、5 Mpcのバッファを追加して並列処理を可能にする、フォーマットなしのフォーランバイナリ形式でホスティングする。
• MPI や OpenMP を用いた高性能コンピューティング向けに、カスタム分析ツールを構築できるよう、低レベルの I/O ルーチンとデータフォーマットのドキュメントを提供する。
• 銀河モックアップやキロステニリティ関数などのカタログベースのデータ製品については、圧縮された ASCII 表形式で保存する。
• 従来のデータベースではなく、軽量でファイルベースのアーキテクチャを採用することで、保守負荷を低減し、アクセス性を向上させる。
• 外部データソースとのクロスリンクを可能にし、すべてのデータをローカルに保存する必要なく、リポジトリの範囲を拡張する。
• 協働的で分散型のモデルを通じて、外部の研究グループが自らのシミュレーション製品を Skies and Universes プラットフォームにホスティングすることを奨励する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複雑でリソースを喫するデータベースシステムに依存せずに、大規模な宇宙論的シミュレーションデータへの一般公開を効果的に行うことは可能か？
• RQ2 生のシミュレーションデータの直接ファイルダウンロードは、広範な天文コミュニティによる大規模かつ高性能な分析をどの程度可能にするか？
• RQ3 Bolshoi や MultiDark のような長期間にわたる高精度なシミュレーションを、初回公開以降も持続的な科学的再利用が可能にするにはどうすればよいか？
• RQ4 最小限のインフラ投資で、多様な宇宙論的シミュレーション製品をホスティングできる、コミュニティ主導で分散型のモデルは実現可能か？
• RQ5 理論的シミュレーション出力は、マスク、完全性、調査境界などの観測調査要件と、どのように効果的に一致させられるか？

主な発見

• Skies and Universes プラットフォームは、Bolshoi および MultiDark シミュレーションのテラバイト規模の生粒子データ——包括的なシミュレーションボックスやハロー・カタログを含む——への一般公開に成功している。
• データは空間的に分解され、バッファを含む形式で構造化されており、MPI や OpenMP を用いた並列処理が効率的に行えるため、大規模な分析が著しく容易になっている。
• 本プロジェクトは、直接的なファイルダウンロードと最小限のインフラを組み合わせることで、高性能な宇宙論的データ配布において、従来のデータベースアクセスを効果的に代替できることを示している。
• プラットフォームは生のシミュレーション出力に加え、実際の調査要件に合わせて整備された観測モックアップ——SDSS や QSO のモックカタログ、発光線キロステニリティ関数、強引力レンズシミュレーションなど——もホスティングしている。
• 本プロジェクトはすでに、LoRCA およびサイトで利用可能な観測製品に基づく発光線キロステニリティ関数に関する2件の論文の発表を可能にした。
• このモデルはスケーラブルかつ拡張可能である。著者らは、他の研究グループが自らのデータ製品を Skies and Universes リポジトリに貢献することを積極的に奨励しており、協働的でコミュニティ主導のデータエコシステムの構築を促進している。