[论文解读] COSMICS: Cosmological Initial Conditions and Microwave Anisotropy Codes

Edmund Bertschinger|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 1995

Cosmology and Gravitation Theories被引用 76

一句话总结

COSMICS 是一个基于 FORTRAN 的宇宙学模拟软件包，用于计算宇宙微波背景（CMB）各向异性的线性演化和物质转移函数，并为非线性结构形成模拟生成高斯随机初始条件。它使用共形牛顿规范和共动规范下线性化爱因斯坦-玻尔兹曼方程的精确解，可实现高精度的 CMB 功率谱和物质功率谱，通过 $Q_{\rm rms-PS}$ 或 $\sigma_8$ 进行归一化。其主要贡献是提供一个可移植、文档详尽的宇宙学模拟工具集，支持标准与约束初始条件。

ABSTRACT

COSMICS is a package of fortran programs useful for computing transfer functions and microwave background anisotropy for cosmological models, and for generating gaussian random initial conditions for nonlinear structure formation simulations of such models. Four programs are provided: {\bf linger\_con} and {\bf linger\_syn} integrate the linearized equations of general relativity, matter, and radiation in conformal Newtonian and synchronous gauge, respectively; {\bf deltat} integrates the photon transfer functions computed by the linger codes to produce photon anisotropy power spectra; and {\bf grafic} tabulates normalized matter power spectra and produces constrained or unconstrained samples of the matter density field. Version 1.0 of COSMICS is available at http://arcturus.mit.edu/cosmics/ . The current release gives fortran-77 programs that run on workstations and vectorized supercomputers. Unix makefiles are included that make it simple to build and test the package. A future release will include portable parallel versions of the linger codes using standard message-passing libraries.

研究动机与目标

• 为结构形成背景下线性宇宙扰动的计算提供一个可靠且可移植的软件包。
• 实现微波背景各向异性功率谱和物质转移函数的精确计算，以便与观测数据进行比较。
• 为非线性结构形成模拟生成具有无约束和约束（Hoffman-Ribak）实现方式的高斯随机初始条件。
• 支持通过 CMB 四极矩 $Q_{\rm rms-PS}$ 或 $\sigma_8$ 质量涨落参数对物质功率谱进行归一化。
• 通过使用消息传递库支持核心代码在高性能计算环境中的未来并行化。

提出的方法

• 该软件包使用两个主要求解器 `linger_con` 和 `linger_syn`，分别在共形牛顿规范和共动规范下积分线性化爱因斯坦方程、玻尔兹曼方程和流体方程。
• `deltat` 程序从 `linger` 代码生成的转移函数中计算光子各向异性功率谱。
• `grafic` 程序对归一化的物质功率谱进行表格化处理，并使用来自 `linger` 的转移函数或解析拟合，在晶格上生成三维高斯随机密度场、速度场和位移场。
• 初始条件通过 $Q_{\rm rms-PS}$ 或 $\sigma_8$ 指定归一化，系统可自动在两者之间转换。
• 通过 Hoffman-Ribak 算法支持密度场的无约束和约束实现方式，以匹配观测到的大尺度结构。
• 二进制输出文件（`delta.dat` 和 `p3m.dat`）以非格式化（二进制）格式写入，可直接用于 P3M 等非线性模拟代码，且单位正确（共动单位和本征单位）。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何为 CMB 和大尺度结构模拟计算宇宙扰动的精确线性演化？
• RQ2 在非线性结构形成代码中，最有效的方法是什么，以生成物理解释一致的高斯随机初始条件？
• RQ3 如何通过 $Q_{\rm rms-PS}$ 或 $\sigma_8$ 一致地对物质功率谱进行归一化？
• RQ4 在 CMB 各向异性计算中，高精度完整解码与近似方法之间的计算权衡是什么？
• RQ5 如何使代码在工作站和向量化超级计算机上可移植且可扩展，并为未来支持分布式内存并行化？

主要发现

• `linger` 求解器在无显著近似下产生线性化爱因斯坦-玻尔兹曼系统的高精度解，对 $l \leq 2000$ 的计算最多需数十个 Cray C90 小时。
• `deltat` 程序从转移函数中高精度计算 CMB 角功率谱，适用于与观测结果直接比较。
• `grafic` 程序使用 `linger` 计算的转移函数或解析拟合，生成正确归一化的三维高斯随机场。
• 物质功率谱的归一化可通过 $Q_{\rm rms-PS}$ 或 $\sigma_8$ 指定，系统可自动在两者之间转换。
• 该软件包生成二进制输出文件（`delta.dat` 和 `p3m.dat`），包含在膨胀因子 $a_{\rm start}$ 时的密度涨落以及粒子位置和速度，单位正确（共动单位和本征单位）。
• 该代码可在不同平台上可移植，提供 Unix makefiles，并支持共享内存（Cray C90）和未来消息传递（MPI）并行化。