米国エネルギー省のArgonne National Laboratoryの科学者たちが、これまでで最大規模の宇宙の天体物理学的シミュレーションを実現した。彼らは、最近まで世界最高性能を誇っていたスーパーコンピュータを使用し、前例のない規模で宇宙のシミュレーションを行った。このシミュレーションの規模は、強力な望遠鏡や観測所によって実施された最大規模の観測に匹敵するものである。
Frontierスーパーコンピュータは、テネシー州のOak Ridge National Laboratoryに設置されている。2024年11月にEl Capitanに追い抜かれるまでは世界最速のスーパーコンピュータであった。Frontierは世界初のエクサスケールスーパーコンピュータであり、El Capitanもエクサスケールスーパーコンピューティングの仲間入りを果たしている。
新しいFrontierによるシミュレーションは記録的なもので、現在、史上最大の宇宙シミュレーションとなっている。そのエクサスケールコンピューティング能力により、これまで到達不可能であった詳細レベルのシミュレーションが可能となった。エクサスケールは非常に高度であるため、新しいプログラミングパラダイムなしではその能力を十分に活用することが困難である。
Frontierは天体物理学的シミュレーションにおいて大きな飛躍をもたらした。直径100億光年にわたる宇宙の領域をカバーしており、暗黒物質、暗黒エネルギー、気体力学、星形成、ブラックホールの成長に関する詳細な物理モデルを組み込んでいる。これにより、銀河の形成過程や宇宙の大規模構造の進化など、宇宙における基本的なプロセスについて新たな知見が得られるはずである。
プロジェクトリーダーであるArgonneのComputational Sciences部門ディレクターのSalman Habib氏は次のように述べている。「宇宙には2つの要素があります。重力的な相互作用しかしないと考えられているダークマターと、通常の物質つまり原子物質です」。
「そのため、宇宙で何が起きているのかを知るためには、これら両方をシミュレーションする必要があります。重力だけでなく、高温ガスや星、ブラックホール、銀河の形成など、他のすべての物理現象を含めてです。いわば天体物理学の『キッチンシンク』とでも言うべきものです。これらのシミュレーションを、我々は宇宙論的流体力学シミュレーションと呼んでいます。」
宇宙論的流体力学シミュレーションは、宇宙論と流体力学を組み合わせたもので、天文学者が重力と気体力学や恒星プロセスなどの複雑な相互関係を調べることを可能にする。これらは我々の宇宙を形作り、今も形作り続けている。複雑さのレベルと膨大な数値方程式や計算が必要なため、スーパーコンピュータでのみ実行可能である。
Frontierがこれらのシミュレーションを実行するために必要なエネルギー量は驚異的である。約21メガワットの電力を消費し、これは米国の約15,000世帯の一戸建て住宅に供給できる電力量に相当する。しかし、その見返りも同様に印象的である。
Habib氏は続けて次のように述べている。「例えば、チリのルービン天文台のような大型望遠鏡で観測される宇宙の大きな領域をシミュレーションする場合、膨大な時間スケール、つまり数十億年にわたる宇宙の膨張を扱うことになります。最近まで、重力のみの近似を除いては、そのような大規模なシミュレーションは想像すらできませんでした」。
Oak Ridge Leadership Computing FacilityのサイエンスディレクターであるBronson Messer氏は次のように述べている。「エクサスケールコンピューティングによって可能になった現代の観測調査と直接比較するために必要な物理領域の規模だけでなく、バリオンやその他すべての動的物理学を含めた物理的リアリズムが加わることで、このシミュレーションはFrontierの真の力の見せ所となっています」。
Frontierは宇宙のシミュレーションだけでなく、2023年6月には研究者たちが別のマイルストーンを達成した。4,660億個の原子からなる水のシミュレーションを実現したのである。これは過去最大のシステムモデルであり、2番目に大きなものの400倍以上の規模であった。水は細胞の主要構成要素であるため、Frontierは生きた細胞の最終的なシミュレーションへの道を切り開いている。
Frontierは核分裂や核融合、大規模エネルギー伝送システムなど、他の多くの分野でも進展をもたらすことが期待されている。また、従来のものと比べて規模と速度が1,000倍大きい量子分子動力学シミュレーションの生成にも使用されている。さらに、疾病のモデリング、新薬開発、より良いバッテリー、コンクリートを含むより良い材料の開発、気候変動の予測と緩和にも応用されている。
Frontierのような天体物理学的/宇宙論的シミュレーションは、観測と組み合わせることで強力なツールとなる。科学者たちはシミュレーションを使用して、理論モデルを観測データと比較検証することができる。シミュレーションの初期条件やパラメータを変更することで、研究者は異なる要因が結果にどのような影響を与えるかを確認できる。これは観測とシミュレーションの間の不一致を特定することでモデルを更新できる反復的なプロセスである。
Frontierの大規模シミュレーションは、スーパーコンピュータとAIが天文学や天体物理学でより大きな役割を担うようになっている一例である。現代の天文学は膨大な量のデータを生成し、それを管理するための強力なツールを必要としている。我々の宇宙論の理論は、大規模なコンピューティング能力でシミュレートする必要のある、ますます大きなデータセットに基づいている。
Frontierは既にLawrence Livermore National Laboratory (LLNL)の別のエクサスケールスーパーコンピュータであるEl Capitanに追い抜かれている。ただし、LLNLによるとEl Capitanは国家の核兵器備蓄の管理に焦点を当てているとのことである。
