Вычислительная астрофизика
Вычислительная астрофизика относится к методам и вычислительным инструментам, разработанным и используемым в астрофизических исследованиях. Подобно вычислительной химии или вычислительной физике , это одновременно и отдельная ветвь теоретической астрофизики , и междисциплинарная область, опирающаяся на информатику , математику и более широкую физику . Вычислительная астрофизика чаще всего изучается в рамках программы прикладной математики или астрофизики на уровне доктора философии.
Хорошо зарекомендовавшие себя области астрофизики, использующие вычислительные методы, включают магнитогидродинамику , астрофизический перенос излучения, звездную и галактическую динамику и астрофизическую гидродинамику . Недавно разработанная область с интересными результатами — численная теория относительности .
Исследования [ править ]
Многие астрофизики используют компьютеры в своей работе, и все большее число астрофизических отделов теперь имеют исследовательские группы, специально посвященные вычислительной астрофизике. Важные исследовательские инициативы включают Министерства энергетики США (DoE) в области астрофизики. SciDAC сотрудничество [1] и ныне несуществующая европейская коллаборация AstroSim. [2] Заметным активным проектом является международный Консорциум Девы , который занимается космологией.
В августе 2015 года во время Генеральной ассамблеи Международного астрономического союза был объявлен новый была открыта комиссия C.B1 по вычислительной астрофизике , тем самым признавая важность астрономических открытий с помощью вычислений.
Важные методы вычислительной астрофизики включают метод частиц в ячейке (PIC) и тесно связанную с ним сетку частиц (PM), моделирование N-тел , методы Монте-Карло , а также методы без сетки (при этом гидродинамика сглаженных частиц (SPH) является важный пример) и сеточные методы для жидкостей. Кроме того, методы численного анализа для решения ОДУ и УЧП также используются .
Моделирование астрофизических потоков имеет особое значение, поскольку многие объекты и процессы, представляющие астрономический интерес, такие как звезды и туманности, связаны с газами. Компьютерные модели жидкости часто сочетаются с переносом излучения, (ньютоновской) гравитацией, ядерной физикой и (общей) теорией относительности для изучения высокоэнергетических явлений, таких как сверхновые, релятивистские струи , активные галактики и гамма-всплески. [3] а также используются для моделирования звездной структуры , формирования планет , эволюции звезд и галактик , а также экзотических объектов, таких как нейтронные звезды , пульсары , магнетары и черные дыры. [4] Компьютерное моделирование часто является единственным средством изучения столкновений звезд , слияний галактик , а также взаимодействий галактик и черных дыр. [5] [6]
В последние годы в этой области все чаще используются параллельные и высокопроизводительные компьютеры . [7]
Инструменты [ править ]
Вычислительная астрофизика как область широко использует программные и аппаратные технологии. Эти системы часто являются узкоспециализированными и создаются преданными своему делу профессионалами, поэтому обычно пользуются ограниченной популярностью в более широком сообществе (вычислительной) физики.
Аппаратное обеспечение [ править ]
Как и другие подобные области, вычислительная астрофизика широко использует суперкомпьютеры и компьютерные кластеры . Даже в масштабах обычного рабочего стола возможно аппаратное ускорение . Пожалуй, наиболее заметной такой компьютерной архитектурой, созданной специально для астрофизики, является GRAPE (гравитационная труба) в Японии.
По состоянию на 2010 год крупнейшие модели N-тел, такие как DEGIMA , выполняют вычисления общего назначения на графических процессорах . [8]
Программное обеспечение [ править ]
Существует множество кодов и пакетов программного обеспечения, которые поддерживают различные исследователи и консорциумы. Большинство кодов имеют тенденцию быть пакеты n-body или какие-то решатели жидкостей. Примеры n-теловых кодов включают ChaNGa , MODEST, [9] nbodylab.org [10] и Старлаб. [11]
В гидродинамике обычно существует связь между кодами, поскольку движение жидкостей обычно имеет какой-либо другой эффект (например, гравитацию или излучение) в астрофизических ситуациях. Например, для SPH/N-body есть GADGET и SWIFT; [12] для RAMSES на основе сетки/N-тел, [13] ЭНЦО, [14] ВСПЫШКА, [15] и АРТ. [16]
РАЗВЛЕЧЕНИЕ [2] , [17] использует другой подход (так называемый Ноев ковчег). [18] ), чем другие пакеты, предоставляя структуру интерфейса для большого количества общедоступных астрономических кодов для решения звездной динамики, звездной эволюции, гидродинамики и радиационного переноса.
См. также [ править ]
- Millennium Simulation , Eris и Bolshoi Cosmological Simulation — это астрофизические суперкомпьютерные симуляции.
- Плазменное моделирование
- Вычислительная физика
- Теоретическая астрономия и теоретическая астрофизика
- Центр вычислительной теории относительности и гравитации
- Центр высокопроизводительных астровычислительных вычислений Калифорнийского университета
Ссылки [ править ]
- ^ "Консорциум астрофизики SciDAC" . Проверено 8 марта 2012 г.
- ^ AstroSim.net. Архивировано 3 января 2012 года в Wayback Machine . Проверено 8 марта 2012 г.
- ^ Прорывное исследование подтверждает причину коротких гамма-всплесков . Веб-сайт Astronomy.com , 8 апреля 2011 г. Проверено 20 ноября 2012 г.
- ^ Например, см. статью Космические вибрации нейтронных звезд . Проверено 21 марта 2012 г.
- ^ ГАЛМЕР: СЛИЯНИЯ ГАЛАКТИКИ в виртуальной обсерватории [ постоянная мертвая ссылка ] : Пресс-релиз. Проверено 20 марта 2012 года . Домашняя страница проекта . Проверено 20 марта 2012 г.
- ^ НАСА добилось прорыва в моделировании черной дыры ; от 18 апреля 2006 г. Обнаружен 18 марта 2012 г.
- ^ Люсио Майер. Предисловие: Advanced Science Letters (ASL), специальный выпуск по вычислительной астрофизике.
- ^ Хамада Т., Нитадори К. (2010) Астрофизическое моделирование N-тел со скоростью 190 терафлопс на кластере графических процессоров. В материалах Международной конференции ACM/IEEE 2010 г. по высокопроизводительным вычислениям, сетям, хранению и анализу (SC '10). Компьютерное общество IEEE, Вашингтон, округ Колумбия, США, 1–9. два : 10.1109/SC.2010.1
- ^ Домашняя страница MODEST (Моделирование систем DEnse STellar). . Проверено 5 апреля 2012 г.
- ^ NBodyLab. . Проверено 5 апреля 2012 г.
- ^ «Добро пожаловать в Старлаб» .
- ^ Том Теунс, Эйдан Чок, Матье Шаллер, Педро Гонне: «SWIFT: основанная на задачах гидродинамика и гравитация для космологического моделирования» [1]
- ^ Код РАМЗЕС
- ^ Брайан В. О'Ши, Грег Брайан, Джеймс Борднер, Майкл Л. Норман, Том Абель, Роберт Харкнесс, Алексей Крицук: «Представляем Энцо, космологическое приложение AMR». Ред. Т. Плева, Т. Линде и В. Г. Вейрс, Конспекты лекций Springer по вычислительной науке и инженерии, 2004. arXiv:astro-ph/0403044 (Проверено 20 ноября 2012 г.);
Страницы проекта по адресу:- Энцо @ Лаборатория вычислительной астрофизики , архивировано 12 декабря 2012 г. в archive.today Университета Сан-Диего (проверено 20 ноября 2012 г.);
- enzo: Уточнение астрофизической адаптивной сетки . Домашняя веб-страница проекта Google Code (по состоянию на 20 ноября 2012 г.).
- ^ Центр вычислительных наук Flash. . Проверено 3 июня 2012 г.
- ^ Кравцов А.В., Клыпин А.А., Хохлов А.М., "ART: новый код N-тел высокого разрешения для космологического моделирования", ApJS, 111, 73, (1997).
- ^ AMUSE (астрофизическая многоцелевая программная среда)
- ^ Portegies Zwart и др., «Мультифизическая и многомасштабная программная среда для моделирования астрофизических систем», NewA, 14, 369, (2009)
Дальнейшее чтение [ править ]
Начальный/средний уровень:
- Астрофизика с ПК: Введение в вычислительную астрофизику, Пол Хеллингс. Вильманн-Белл; 1-е издание на английском языке.
- Практическая астрономия с вашим калькулятором, Питер Даффет-Смит. Издательство Кембриджского университета; 3-е издание 1988 г.
Продвинутый/выпускной уровень:
- Численные методы в астрофизике: введение (серия по астрономии и астрофизике): Питер Боденхаймер, Грегори П. Лафлин, Михал Розичка, Гарольд. У. Йорк. Тейлор и Фрэнсис , 2006.
- Вероятность членства в открытом кластере на основе алгоритма кластеризации K-средних, Мохамед Абд Эль Азиз, И. М. Селим и А. Эссам, Exp Astron., 2016 г.
- Автоматическое определение типа галактики из наборов данных изображений галактик на основе метода поиска изображений, Мохамед Абд Эль Азиз, IM Selim & Shengwu Xiong Scientific Reports 7, 4463, 2017
Журналы (открытый доступ):