Les trous noirs constituent un grand mystère spatial. Ils sont si massifs que rien, même pas de lumière, peut échapper à un trou noir une fois qu'il s'en rapproche suffisamment. Un grand mystère pour les scientifiques est qu'il existe des preuves de puissants jets d'électrons et de protons qui jaillissent du haut et du bas de certains trous noirs. Pourtant, personne ne sait comment se forment ces jets.

Un code informatique appelé Cosmos alimente désormais les simulations de superordinateurs de jets de trous noirs et commence à révéler les mystères des trous noirs et d'autres bizarreries spatiales.

"Cosmos, la racine du nom, vient du fait que le code a été conçu à l'origine pour faire de la cosmologie. Il s'est transformé en une vaste gamme d'astrophysique, " a expliqué Chris Fragile, professeur au département de physique et d'astronomie du College of Charleston. Fragile a aidé à développer le code Cosmos en 2005 tout en travaillant comme chercheur post-doctoral au Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), avec Steven Murray (LLNL) et Peter Anninos (LLNL).

Fragile a souligné que Cosmos offre un avantage aux astrophysiciens car il est resté à la pointe de la magnétohydrodynamique relativiste générale (MHD). Simulations MHD, le magnétisme des fluides électriquement conducteurs tels que les jets de trous noirs, ajoutent une couche de compréhension mais sont notoirement difficiles, même pour les supercalculateurs les plus rapides.

"L'autre domaine dans lequel Cosmos a toujours eu un certain avantage est qu'il contient de nombreux packages de physique, " continua Fragile. " C'était la motivation initiale de Peter Anninos, en ce sens qu'il voulait un outil de calcul où il pourrait mettre tout ce sur quoi il avait travaillé au fil des ans. » Fragile a énuméré certains des packages qui incluent la chimie, combustion nucléaire, gravité newtonienne, gravité relativiste, et même le rayonnement et le refroidissement radiatif. "C'est une combinaison assez unique, " dit Fragile.

L'itération actuelle du code est CosmosDG, qui utilise des méthodes Gelarkin discontinues. "Vous prenez le domaine physique que vous voulez simuler, " expliqua Fragile, "et vous le divisez en un tas de petits, minuscules cellules de calcul, ou zones. Vous résolvez essentiellement les équations de la dynamique des fluides dans chacune de ces zones." CosmosDG a permis un ordre de précision beaucoup plus élevé que jamais auparavant, selon les résultats publiés dans le Journal d'astrophysique , août 2017.

« Nous avons pu démontrer que nous avons obtenu des solutions plus précises de plusieurs ordres de grandeur dans le même nombre de zones de calcul, " a déclaré Fragile. " Alors, en particulier dans les scénarios où vous avez besoin de solutions très précises, CosmosDG peut être un moyen d'obtenir cela avec moins de dépenses de calcul que nous aurions dû utiliser avec les méthodes précédentes. »

XSEDE ECSS aide Cosmos à se développer

Depuis 2008, le Texas Advanced Computing Center (TACC) a fourni des ressources de calcul pour le développement du code Cosmos :environ 6,5 millions d'heures de cœur de superordinateur sur le système Ranger et 3,6 millions d'heures de cœur sur le système Stampede. XSEDE, l'environnement de découverte scientifique et technique extrême financé par la National Science Foundation, a attribué l'attribution au groupe de Fragile.

"Je ne taris pas d'éloges sur l'importance des ressources XSEDE, " dit Fragile. " La science que je fais ne serait pas possible sans de telles ressources. C'est une échelle de ressources qu'une petite institution comme la mienne ne pourrait certainement jamais supporter. Le fait que nous ayons ces ressources au niveau national permet une énorme quantité de science qui ne serait tout simplement pas réalisée autrement. »

Et le fait est que les scientifiques occupés peuvent parfois utiliser un coup de main avec leur code. En plus de l'accès, XSEDE fournit également un groupe d'experts par le biais des services de support collaboratif étendu (ECSS) pour aider les chercheurs à tirer pleinement parti de certains des supercalculateurs les plus puissants au monde.

Fragile a récemment demandé l'aide de XSEDE ECSS pour optimiser le code CosmosDG pour Stampede2, un supercalculateur capable de 18 pétaflops et le vaisseau amiral de TACC à l'Université du Texas à Austin. Stampede2 caractéristiques 4, 200 nœuds Knights Landing (KNL) et 1, 736 nœuds Intel Xeon Skylake.

Profiter de Knights Landing et de Stampede2

L'architecture multicœur de KNL présente de nouveaux défis pour les chercheurs qui tentent d'obtenir les meilleures performances de calcul, selon Damon McDougall, chercheur associé au TACC et également à l'Institute for Computational Engineering and Sciences, UT Austin. Chaque nœud Stampede2 KNL a 68 cœurs, avec quatre threads matériels par cœur. C'est beaucoup de pièces mobiles à coordonner.

"Il s'agit d'une puce informatique qui a beaucoup de cœurs par rapport à certaines des autres puces avec lesquelles on aurait pu interagir sur d'autres systèmes, " a expliqué McDougall. " Il faut accorder plus d'attention à la conception du logiciel pour qu'il fonctionne efficacement sur ces types de puces. "

Grâce à l'ECSS, McDougall a aidé Fragile à optimiser CosmosDG pour Stampede2. « Nous favorisons un certain type de parallélisme, appelé parallélisme hybride, où vous pouvez mélanger les protocoles MPI (Message Passing Interface), qui est un moyen de transmettre des messages entre les nœuds de calcul, et OpenMP, qui est un moyen de communiquer sur un seul nœud de calcul, " a déclaré McDougall. " Le mélange de ces deux paradigmes parallèles est quelque chose que nous encourageons pour ces types d'architectures. C'est le type de conseils que nous pouvons donner et aider les scientifiques à mettre en œuvre sur Stampede2 via le programme ECSS. »

"En réduisant la quantité de communication que vous devez faire, " Fragile a dit, "c'est l'une des idées d'où les gains vont venir sur Stampede2. Mais cela signifie un peu de travail pour les codes hérités comme le nôtre qui n'ont pas été conçus pour utiliser OpenMP. Nous devons moderniser notre code pour inclure certains Appels OpenMP. C'est l'une des choses que Damon nous a aidés à essayer de rendre cette transition aussi fluide que possible.

McDougall a décrit le travail ECSS jusqu'à présent avec CosmosDG comme "très naissant et en cours, " avec beaucoup de travail initial d'investigation de l'allocation de mémoire « points chauds » où le code ralentit.

"L'une des choses pour lesquelles Damon McDougall a vraiment été utile, c'est de nous aider à rendre les codes plus efficaces et à utiliser les ressources XSEDE plus efficacement afin que nous puissions faire encore plus de science avec le niveau de ressources qui nous est fourni, " Fragile ajouté.

oscillation du trou noir

Une partie de la science que Fragile et ses collègues ont déjà faite avec l'aide du code Cosmos a aidé à étudier l'accrétion, la chute des gaz moléculaires, et des débris spatiaux dans un trou noir. L'accrétion du trou noir alimente ses jets. "L'une des choses pour lesquelles je suppose que je suis le plus célèbre est l'étude des disques d'accrétion où le disque est incliné, " expliqua Fragile.

Les trous noirs tournent. Et ainsi fait le disque de gaz et de débris qui l'entoure et tombe dedans. Cependant, ils tournent sur des axes de rotation différents. "Nous avons été les premiers à étudier des cas où l'axe de rotation du disque n'est pas aligné avec l'axe de rotation du trou noir, " Fragile said. General relativity shows that rotating bodies can exert a torque on other rotating bodies that aren't aligned with it.

Fragile's simulations showed the black hole wobbles, a movement called precession, from the torque of the spinning accretion disk. "The really interesting thing is that over the last five years or so, observers—the people who actually use telescopes to study black hole systems—have seen evidence that the disks might actually be doing this precession that we first showed in our simulations, " Fragile said.

Fragile and colleagues use the Cosmos code to study other space oddities such as tidal disruption events, which happen when a molecular cloud or star passes close enough that a black hole shreds it. Other examples include Minkowski's Object, where Cosmos simulations support observations that a black hole jet collides with a molecular cloud to trigger star formation.

Golden Age of Astronomy and Computing

"We're living in a golden age of astronomy, " Fragile said, referring to the wealth of knowledge generated from space telescopes like Hubble to the upcoming James Webb Space Telescope, to land-based telescopes such as Keck, et plus.

Computing has helped support the success of astronomy, Fragile said. "What we do in modern-day astronomy couldn't be done without computers, " he concluded. "The simulations that I do are two-fold. They're to help us better understand the complex physics behind astrophysical phenomena. But they're also to help us interpret and predict observations that either have been, can be, or will be made in astronomy."