超级计算机的突破使天文学家能够共享宇宙模拟

超级计算帮助天体物理学家创建了大规模的宇宙模型，但对美国和世界各地的许多人来说，这种模拟仍然遥不可及。在一项成功的测试允许俄勒冈州波特兰市的科学家观看芝加哥对普通物质和神秘暗物质在早期宇宙中如何进化的模拟后，这一切都可能改变。

流媒体活动也是实时进行的，这意味着芝加哥和波特兰的团队理论上可以在模拟中一起玩，就像PC或控制台视频游戏玩家在在线游戏中一起玩一样容易。

这个演示远远超出了用美丽的三维宇宙之旅来娱乐人们的范围。只有超级计算机才能处理构成最复杂天体物理模型的大量数据，科学家们不能总是去有超级计算集群的地方进行研究。具有在线流式传输完全渲染的模拟的能力，科学家可以远程合作进行研究，并克服访问超级计算机受限的障碍。

伊利诺伊州阿贡国家实验室（ANL）的计算机科学家Mark Hereld说：“这是一个试图打破这一障碍的例子，随着模拟变得越来越复杂，这一障碍每天都在增加。”

复杂的模拟已经成为解决诸如暗物质等更棘手的天体物理学难题的必要条件。科学家们估计，暗物质占宇宙质量的70%以上，但他们只能通过测量暗物质对可见普通物质的引力效应来探测这种不可见物质。最新的模拟显示了从已知宇宙开始的理论大爆炸开始，普通物质和暗物质如何在近70亿年的过程中相互作用。宇宙有137亿年的历史。

破解天体物理学难题

研究人员专门利用模拟来衡量他们探测重子声学振荡的能力，重子声学振动是一种与星系之间气体中某些基本粒子聚集有关的现象。他们希望这一模拟将使即将到来的天体物理学调查能够与超级计算机的预测进行直接比较。

加州大学圣地亚哥分校的天体物理学家里克·瓦格纳说：“我们可以通过观察星系间气体对遥远物体，特别是类星体的光吸收强度来测量星系间气体的密度。”他告诉太空网，重子声学振荡在宇宙的整体密度图中显示为“峰值”，并补充道，“准确测量这些峰值是确定宇宙基本性质的最佳工具之一。”

这种细微的密度差异只在巨大的几何尺度上表现出来，因此该模型模拟了每侧10亿光年的空间体积。一光年表示光在一年中传播的距离，约为6万亿英里（10万亿公里）。

超级计算能力

事实证明，将如此巨大的数据块转化为一部关于宇宙的互动电影是很棘手的。模拟一开始是148TB的数据，其中1TB大约相当于200000张数字照片或音乐MP3。田纳西大学的Kraken超级计算机在将数据传递给ANL的Eureka计算机之前，花费了相当于400万个CPU小时来处理这些数字。尤里卡随后负责将模拟转换为三维模型的视觉渲染。

去年11月，在俄勒冈州波特兰举行的2009年超级计算大会上，ANL在圣地亚哥超级计算机中心主办的一个巨大的平铺显示器上实时分享了其渲染模拟结果，这才是真正的考验。Herald的团队开发了一种软件，以每秒10千兆比特的速度通过光纤连接传输模拟，比美国宽带用户的平均电缆调制解调器速度快约10000倍。

Wagner在波特兰花了很多时间管理合成展示墙，这使他和他的同事能够大规模观看模拟，并识别微妙的模式。展示墙还提供了足够的视觉空间，可以同时展示许多不同的活动，从视频会议到电影和演示。

Wagner说：“这堵墙让我更直观地了解了不同尺度的结构（如星系、星系团、细丝）是如何相互关联的。”

所有模拟

回到芝加哥，Hereld说，这只是一个软件编码的问题，以允许Wagner等远程终端用户与数据或模拟交互。研究人员已经可以将预先渲染好的模拟片段带回家，在笔记本电脑或台式电脑上玩，但与“即使他们在数百或数千英里外”能够随意进入完整的模拟相比，这仍然相形见绌。

Hereld说：“如果你的科学是发现科学，你必须在模拟中互动、跳跃和寻找东西，那就是你需要实时渲染的时候。”

实时访问最强大的模拟和数据集最终可能会改变更大的科学界的游戏规则。

Wagner说：“我们的数据来自超级计算机，但它可能来自大规模的天文调查，比如Pan STARRS或LSST或粒子对撞机。”“移动数据的自由使我们能够以我们从未想过的方式看到它；看到更多研究人员能够获得这种能力将是一件好事。”