[論文レビュー] A 3D radiative transfer framework: XI. multi-level NLTE

P. H. Hauschildt, E. Baron|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2014

Atmospheric Ozone and Climate参考文献 22被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、PHOENIXコードにおいて、階層的ドメイン分割とMPI並列化を用いて、従来の1次元手法を3次元球面座標に拡張した、完全な3次元多準位非局所熱平衡（NLTE）放射移動フレームワークを提示する。この手法は、テストケースにおいて1次元結果と優れた一致を示し、Fe I–IIIの複雑なモデルを含む、詳細な原子物理を含む完全な3次元NLTE計算が、現代のスーパーコンピュータ上で計算的に実現可能であることを示している。

ABSTRACT

Multi-level non-local thermodynamic equilibrium (NLTE) radiation transfer calculations have become standard throughout the stellar atmospheres community and are applied to all types of stars as well as dynamical systems such as novae and supernovae. Even today spherically symmetric 1D calculations with full physics are computationally intensive. We show that full NLTE calculations can be done with fully 3 dimensional (3D) radiative transfer. With modern computational techniques and current massive parallel computational resources, full detailed solution of the multi-level NLTE problem coupled to the solution of the radiative transfer scattering problem can be solved without sacrificing the micro physics description. We extend the use of a rate operator developed to solve the coupled NLTE problem in spherically symmetric 1D systems. In order to spread memory among processors we have implemented the NLTE/3D module with a hierarchical domain decomposition method that distributes the NLTE levels, radiative rates, and rate operator data over a group of processes so that each process only holds the data for a fraction of the voxels. Each process in a group holds all the relevant data to participate in the solution of the 3DRT problem so that the 3DRT solution is parallelized within a domain decomposition group. We solve a spherically symmetric system in 3D spherical coordinates in order to directly compare our well-tested 1D code to the 3D case. We compare three levels of tests: a) a simple H+He test calculation, b) H+He+CNO+Mg, c) H+He+Fe. The last test is computationally large and shows that realistic astrophysical problems are solvable now, but they do require significant computational resources. With presently available computational resources it is possible to solve the full 3D multi-level problem with the same detailed micro-physics as included in 1D modeling.

研究の動機と目的

• 従来の1次元多準位NLTE放射移動手法を、正確な微視的物理を伴う完全な3次元球面座標に拡張すること。
• 3次元構造と非局所熱平衡（NLTE）効果が重要な動的系、例えば星の大气、新星、超新星などにおける高精度な3次元NLTEモデル化を可能にすること。
• ドメイン分割とMPIを用いたスケーラブルでメモリ効率の良い並列化を実装することで、3次元NLTEの計算的課題を克服すること。
• H+HeからFe I–IIIまでのさまざまな原子的複雑性を含む、1次元で検証済みの結果と照合した、3次元NLTEフレームワークの妥当性を検証すること。
• 現在のスーパーコンピュータリソースを用いて、詳細なモデル原子を含む現実的で大規模な3次元NLTE問題を解くことが可能であることを示すこと。

提案手法

• Hauschildt（1993）の1次元レート演算子形式を3次元球面座標に適応し、ボクセルごとに連立NLTEレート方程式を解く。
• MPIプロセス間でNLTE準位、放射レート、レート演算子データを分散する階層的ドメイン分割戦略を実装し、各プロセスのメモリ使用量を最小限に抑える。
• 非局所的演算子分割を用いて、ラインおよび連続体における散乱を含む3次元放射移動方程式を解き、数値的安定性と精度を確保する。
• LTE状態密度にはMenzel定義を用い、電荷およびイオン化平衡制約を含む全レート方程式系を解く。
• ドメイン分割グループ内での3次元RT解法を並列化し、各プロセスが局所的更新に必要なすべてのデータを保持できるようにする。
• Cray XE30、JUQUEEN、NERSCなどの高性能コンピューティングリソースを活用し、最大49,248 MPIプロセス、2.6TBのストレージを用いて最大のテストケースを実行した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1次元モデルと同等の微視的詳細を有する完全な3次元多準位NLTE放射移動フレームワークを実装できるか？
• RQ2 同一の物理的設定と原子モデルのもとで、3次元NLTE解は、よく検証済みの1次元解とどのように一致するか？
• RQ3 Fe I–IIIのような複雑なイオンを含む3次元NLTE計算の計算的要件とスケーリング特性はいかほどか？
• RQ4 大気構造における3次元効果が、1次元近似と比較してスペクトル合成にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 現在のスーパーコンピュータインfraを用いて、超新星や活動星のような現実的な3次元NLTEモデル化が可能か？

主な発見

• 3次元NLTEフレームワークは、H+He、H+He+CNO+Mg、H+He+Fe I–IIIのすべてのテストケースにおいて1次元結果と優れた一致を示し、差異は数値的分解能の限界以下であった。
• H+He+Fe I–IIIテストケースでは、57,232本の線および24,100件の束縁遷移を含み、約2.6TBのストレージを要し、49,248 MPIプロセスで1反復あたり約2680秒を要した。
• 1次元と3次元のフラックススペクトルの相対差は、大部分の波長域で2%未満であり、有限の角度分解能に起因するわずかなずれが生じたにとどまった。
• 0.5百万波長点を含む3次元モデルでは、全スペクトルデータの保存に約2.6TBのストレージを要し、大規模な原子モデルへのスケーラビリティが実証された。
• 本手法は、数千の準位および線を有するFe I–IIIのような複雑なイオンを効果的に扱うことができ、3次元NLTEによる天体物理学的関連系のモデル化が現在のスーパーコンピュータリソースで計算的に実現可能であることを裏付けた。
• 階層的ドメイン分割とMPIベースの並列化により、効率的なメモリ配分が実現され、現代のスーパーコンピュータ上で大規模な3次元NLTE問題を解くことが可能となった。