Das Durchbrechen des Astrophysik-Codes funktioniert bei der schnellen Modellierung von Sternkollisionen

Bildnachweis: Sagiv Shiber, LSU

“Octo-Tiger”, ein fortschrittlicher astrophysikalischer Code, simuliert die Entwicklung autonomer Gravitations- und Rotationssysteme beliebiger Geometrie mithilfe der adaptiven Netzwerkoptimierung und einer neuen Methode zur Schaufelbalance, um ultraschnelle Geschwindigkeiten zu erreichen.

Dieser neue Code zur Modellierung von Sternenkollisionen ist schneller als der für numerische Simulationen verwendete Code. Die Forschung entstand aus einer einzigartigen Zusammenarbeit zwischen experimentellen Informatikern und Astrophysikern am LSU-Institut für Physik und Astronomie, dem LSU-Zentrum für Berechnung und Technologie, der Indiana Kokomo University und der Macquarie University, Australien, und gipfelte in mehr als einem Jahr standardisierter Tests und Tests wissenschaftliche Simulationen, die durch mehrere NSF-Zuschüsse unterstützt werden, darunter eine, die speziell entwickelt wurde, um die Barriere zwischen Informatik und Astrophysik zu durchbrechen.

“Dank der großen Anstrengungen durch diese Zusammenarbeit verfügen wir jetzt über ein zuverlässiges algorithmisches Framework zur Simulation von Sternfusionen”, sagte Patrick Motel, Professor für Physik an der Indiana University Kokomo. „Indem wir die Rechenzeit für die Fertigstellung der Simulation erheblich reduzieren, können wir anfangen, neue Fragen zu stellen, die nicht beantwortet werden konnten, wenn die Einzelfusionssimulation zu kostbar und zeitaufwändig war. Wir könnten mehr Parameterraum erkunden und Simulationen mit sehr hohem Raum untersuchen Genauigkeit oder für längere Zeiträume nach dem Zusammenführen können wir die Simulationen auf vollständigere physikalische Modelle ausweiten, indem wir beispielsweise den Strahlungstransport integrieren. ”


Dieser Film zeigt eine Octo-Tiger-Simulation von zwei Personen weißer Zwerg Die Sterne befinden sich in einer Umlaufbahn umeinander. Wir betrachten die beiden Sterne, wenn sie miteinander verschmelzen. Die Farbe gibt an, wie dicht ein Gas in der Umlaufbahn oder in der Mittelebene ist, wobei Braun bedeutet, dass Gas dichter und Blau weniger dicht ist. Pfeile zeigen die Gasgeschwindigkeit an. Die roten Pfeile entsprechen Geschwindigkeiten von bis zu 1.000 km / s und die blauen Pfeile entsprechen Geschwindigkeiten von nur 1 km / s. Die Zeit in Sekunden wird in der oberen linken Ecke angezeigt. Das Binärsystem führt zunächst alle zwei Minuten eine Umlaufbahn durch, und die gesamte Simulationszeit beträgt weniger als zwei Stunden. Dies entspricht den letzten Stunden im Leben dieser Binärdatei vor dem Zusammenführen. Bildnachweis: Sagiv Shiber, LSU

Kürzlich in den monatlichen Mitteilungen der Royal Astronomical Society veröffentlicht, untersucht „Octo-Tiger: Neuer hydrodynamischer 3D-Code für Sternfusionen mithilfe der HPX-Parallelisierung“ die Leistung und Genauigkeit des Codes mit einem Benchmark-Test. Die Autoren d. Dominic C. Marcelo ist Postdoktorand. Sajiv Scheiber, Postdoktorand, Dr. Johann Frank Professor; Geoffrey C. Clayton, Professor; DR.. DR.. Patrick Dell, wissenschaftlicher Mitarbeiter; Und Dr. Hartmut Kaiser, ein Wissenschaftler der Louisiana State University, vergleicht ihre Ergebnisse zusammen mit den Mitarbeitern Dr. Ursula de Marco, Professor an der Macquarie University, und Dr. Patrick M. Motell, Professor an der Indiana University Cocomo, mit analytischen Lösungen wissen, und andere netzwerkbasierte Codes wie der berühmte FLASH. Darüber hinaus berechneten sie die Wechselwirkung zweier weißer Zwerge vom frühen Stoffübergang bis zum Einbau und verglichen die Ergebnisse mit früheren Simulationen ähnlicher Systeme.

“Ein Test auf Australiens schnellstem Supercomputer, Gadi (Platz 25 in der Top 500-Liste der Welt), hat gezeigt, dass Octo-Tiger mit mehr als 80.000 Kernen eine hervorragende Leistung für große Embedded-Star-Modelle aufweist”, sagte de Marco. “Mit Octo-Tiger können wir nicht nur die Wartezeit drastisch reduzieren, sondern unsere Modelle können auch die vielen Fragen beantworten, die uns wichtig sind.”

Octo-Tiger ist derzeit optimiert, um eine gut aufgelöste Sternfusion zu simulieren, die durch barotrope Strukturen wie weiße Zwerge oder Hauptreihensterne angenähert werden kann. Der Gravitationslöser behält dank des Korrekturalgorithmus den Drehimpuls der Präzision des Instruments bei. Dieser Code verwendet HPX-Parallelität, wodurch sich Geschäfts- und Kommunikationsüberschneidungen ermöglichen und hervorragende Skalierungseigenschaften erzielt werden, um große Probleme in kürzeren Zeiträumen zu lösen.

“Dieses Dokument zeigt, wie ein aufgabenbasiertes asynchrones Laufzeitsystem als praktikable Alternative zu einer Schnittstelle zur Nachrichtenübermittlung verwendet werden kann, um ein wichtiges astrophysikalisches Problem zu unterstützen”, sagte Diehl.

Die Forschung identifiziert aktuelle und geplante Entwicklungsbereiche, die darauf abzielen, eine Reihe physikalischer Phänomene anzugehen, die mit vorübergehenden Beobachtungen verbunden sind.

“Während sich unser besonderes Forschungsinteresse auf Sternfusionen und deren Folgen konzentriert, gibt es eine Reihe von Problemen in der rechnergestützten Astrophysik, die Octo-Tiger über seine Kerninfrastruktur für selbstgravitative Flüssigkeiten lösen kann”, sagte Motl.

Die folgende Animation wurde von Shiber vorbereitet, der sagte: „Octo-Tiger zeigt in beiden Bereichen eine hervorragende Leistung Gesundheit Von Lösungen und Skalierung bis zu Zehntausenden von Kernen. Diese Ergebnisse veranschaulichen Octo-Tiger als idealen Code zur Modellierung des Stofftransfers in binären Systemen und zur Simulation von Sternfusionen. “”

Die Referenz: „Octo-Tiger: Ein neuer hydrodynamischer 3D-Code für stellare Fusionen unter Verwendung von HPX-Parallelität“ Dominic C. Marcello, Sajif Scheiber, Ursula de Marco, Johann Frank, Geoffrey C. Clayton, Patrick M. Motel, Patrick Dell und Hartmut Kaiser, 10. April 2021, Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society.
DOI: 10.1093 / mnras / stab937

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