[논문 리뷰] Simulating Cosmic Reionization

Ilian T. Iliev, Paul R. Shapiro외 3명|ArXiv.org|2008. 06. 17.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 21인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 $3072^3$-입자 N-체 시뮬레이션과 빠른 레이트레이싱 방사전달 코드(C²-Ray)를 사용하여, 퇰르프은하에서 오는 이온화 복사장을 모델링함으로써, 현재까지 가장 크고 세밀한 천체역학적 재이온화 시뮬레이션을 제시한다. 주요 결과는 이온화 구조의 위상과 환류 질량 함수를 고해상도로 자동 일관성 있게 시뮬레이션한 것으로, 셰스-토르멘 질량 함수와 뛰어난 일치를 보이며 간성간 매질 내에서 복잡하고 변화하는 이온화 기포의 구조를 드러낸다.

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)

연구 동기 및 목표

• 우주의 재이온화 기간 동안 초기 대규모 구조의 형성과 그에 따른 복사 피드백을 시뮬레이션하기 위해.
• 우주론적 체적에서 100백만 태양질량 이상의 모든 은하 환류를 $114/h\,\text{Mpc}^3$ 이내로 해결하기 위해.
• 빠르고 병렬 처리된 방사전달을 사용하여 수백만 개의 소스로부터 이온화 복사의 전파를 정확하게 모델링하기 위해.
• 소스의 군집화와 밀도가 재이온화의 관측 가능 서명에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 엑사스케일 천체역학 시뮬레이션을 위해 고급 N-체 및 방사전달 코드를 개발하고 확장하기 위해.

제안 방법

• 암흑물질의 구조 형성 시뮬레이션을 위해 $1728^3$에서 $3072^3$ 입자를 사용한 CubeP³M N-체 코드를 사용하여 $64/h\,\text{Mpc}^3$에서 $114/h\,\text{Mpc}^3$ 체적을 대상으로 하였다.
• 최대 수백만 개의 소스에서 온 이온화 front 를 3차원에서 계산하기 위해 빠르고 병렬 처리된 레이트레이싱 방법(C²-Ray)을 적용하였다.
• N-체 시뮬레이션과 후처리 방사전달을 결합하여 간성간 매질 내 비평형 이온화 화학을 모델링하였다.
• MPI와 OpenMP 병렬 처리를 활용하여 CubeP³M을 2048 코어로, C²-Ray를 랭거 슈퍼컴퓨터에서 10,000 코어로 확장하였다.
• 시뮬레이션에서 유도된 환류 질량 함수의 정당성을 검증하기 위해 셰스-토르멘 질량 함수를 기준으로 삼았다.
• 40~50개 이상의 입자를 가진 환류를 위한 격자 기반 환류 탐색기를 구현하였으며, 더 작은 환류에 대해 격자 독립적인 방법 개발 계획이 수립되어 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 100백만 태양질량 이상의 테르프은하의 군집화와 밀도가 재이온화 기간 동안 이온화 기포의 위상에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ2 시뮬레이션 체적과 천체역학적 변동성이 희귀하고 고질량 환류의 형성 적외와 빈도에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ3 프레스-셰처 모델에 비해 대규모 재이온화 시뮬레이션에서 셰스-토르멘 질량 함수가 환류 질량 함수를 얼마나 정확하게 기술할 수 있는가?
• RQ4 힘 해상도와 힘 소프트닝이 작은 환류의 역학과 그들의 이온화 피드백에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 N-체와 방사전달 코드를 효율적으로 결합하여 형성 중인 구조 내 기체의 피드백 효과를 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• 시뮬레이션에서 $z=6$ 시점의 환류 질량 함수는 해석적으로 예측된 셰스-토르멘 함수와 뛰어난 일치를 보이며, 프레스-셰처 모델보다 훨씬 더 우수한 일치를 보였다.
• 두 번째로 큰 시뮬레이션에서의 붕괴 분율과 활성 소스의 수는 체적의 차이에도 불구하고 몇 퍼센트 이내로 일치하였다.
• 163\,\text{Mpc} 박스에서는 첫 번째 환류가 $z \sim 30$ 에 형성되었고, 91\,\text{Mpc} 박스에서는 $z \sim 27$ 에 형성되었으며, 이 차이는 천체역학적 변동성과 박스 크기 효과로 기인한다.
• 이온화 위상은 복잡하고 변화하는 이온화 기포와 중성 영역의 네트워크를 보이며, 고도로 비균일한 재이온화를 나타낸다.
• 시뮬레이션은 $3072^3$ 입자 해상도(290억 입자)를 달성하였으며, 랭거 슈퍼컴퓨터 자원의 약 3%만을 사용하여, 더 큰 시뮬레이션의 여지를 보여주었다.
• 저자들은 현재 하드웨어로 최대 1650억 입자를 포함하는 시뮬레이션을 가능하게 하여, 관측 가능한 우주의 전체 체적($h^{-1}\text{Gpc}^3$ 체적) 시뮬레이션을 실현할 수 있을 것으로 전망한다.