Список программного обеспечения для космологических вычислений
В этом списке программного обеспечения для космологических вычислений перечислены инструменты и программы, используемые учеными в космологических исследованиях.
За последние несколько десятилетий ускоряющаяся технологическая эволюция значительно усовершенствовала астрономические приборы, позволяя проводить более точные наблюдения и расширяя широту и глубину сбора данных на несколько порядков. В то же время экспоненциальный рост вычислительной мощности позволил создать компьютерное моделирование , раскрывающее детали с беспрецедентным разрешением и точностью. Для выполнения компьютерного моделирования космоса и анализа данных как космологических экспериментов, так и моделирования каждый год разрабатывается множество передовых методов и вычислительных программных кодов. Эти коды широко используются исследователями по всему миру, во всех областях и темах космологии.
Вычислительное программное обеспечение, используемое в космологии, можно разделить на следующие основные классы. [ по мнению кого? ] :
- Космологические коды Больцмана: эти коды используются для расчета теоретического спектра мощности с учетом космологических параметров. Эти коды способны рассчитывать спектр мощности на основе стандартной модели LCDM или ее производных. Некоторые из наиболее часто используемых кодов CMB Больцмана: CMBFAST, [1] [2] [3] КАМБ, [4] СМБИЗИ, [5] [6] СОРТ, [7] [8] [9] CMBans [10] и т. д.
- Средство оценки космологических параметров: коды оценки параметров используются для расчета наиболее подходящих параметров на основе данных наблюдений. Для этой цели доступны готовые коды: CosmoMC, [11] [12] Проанализируйте это, [13] Объем [14] и т. д.
Ньютоновские космологические коды моделирования
[ редактировать ]ГАДЖЕТ
[ редактировать ]GADGET , получивший название «GAlaxies with Dark Matter and Gas intEracT», представляет собой код, написанный на C++ для космологического моделирования гидродинамики N-тел / сглаженных частиц (SPH) на массово-параллельных компьютерах с распределенной памятью . [15] Ее первая версия была разработана немецким астрофизиком Фолькером Шрингелем и опубликована в 2000 году. [16] За ним последовали еще две официальные публичные версии: GADGET-2. [17] [18] выпущен в 2005 году и ГАДЖЕТ-4 [19] [20] выпущен в 2020 году и на данный момент является самой последней общедоступной версией пакета программного обеспечения. GADGET способен решать широкий спектр астрофизически интересных задач, например, динамику газовой межгалактической среды, звездообразование и его регулирование процессами обратной связи, сталкивающиеся и слияния галактик, а также формирование крупномасштабной структуры во Вселенной.
АРЕПО
[ редактировать ]АРЕПО [21] [22] представляет собой массово-параллельный код для гравитационных систем N тел, гидродинамики и магнитогидродинамики (МГД). Он назван в честь загадочного слова AREPO в латинском палиндромном предложении «sator arepo tenet Opera Rotas» , то есть « Площадь Сатора » . Первая версия AREPO была написана и опубликована Фолькером Шрингелем в 2010 году при дальнейшем развитии Рюдигера Пакмора и вкладе многих других авторов. Код Arepo использует неструктурированную сетку Вороного и был разработан для объединения преимуществ гидродинамики конечного объема и SPH. Arepo, оптимизированный в первую очередь для космологического моделирования, особенно формирования галактик, поддерживает широкий динамический диапазон в пространстве и времени. [23]
РАМЗЕС
[ редактировать ]ШУТОВКА
[ редактировать ]ШУТОВКА [24] — это гибкий, массово-параллельный код мультифизического моделирования, написанный на языке ANSI C Филипом Ф. Хопкинсом. Программа предлагает разнообразные методы решения уравнений жидкости. Он также представляет новые методы, которые оптимизируют разрешение моделирования и минимизируют распространенные ошибки, обнаруженные в предыдущих методах, которые ограничивали точность предыдущих решателей. Созданный на основе GADGET (отсюда и название «GIZMO», игра слов), код сохраняет совместимость в соглашениях об именах/использовании, а также в вводе/выводе, что делает его удобным для пользователей, знакомых с GADGET. [25]
ПКДГРАВ3
[ редактировать ]СтеПС
[ редактировать ]СтеПС, [26] [27] что расшифровывается как «STEreographically Projected космологическое моделирование» — это свободно доступный код, реализующий новый метод моделирования N тел, моделирующий бесконечную вселенную внутри конечной сферы с изотропными граничными условиями для отслеживания эволюции крупномасштабной структуры. В отличие от традиционных методов, которые для простоты численного использования используют нереалистичные периодические граничные условия, StePS предлагает подход, более ориентированный на наблюдения. Этот метод позволяет детально моделировать бесконечную Вселенную, используя меньше памяти, и дает результаты, которые в большей степени соответствуют наблюдаемой геометрии и топологии Вселенной . [28]
Коды релятивистского космологического моделирования
[ редактировать ]эволюция
[ редактировать ]КОСМОГРАФ
[ редактировать ]CosmoGRaPH (Космологическая общая теория относительности и гидродинамика (идеальная жидкость | частицы)) — это код C++, используемый для исследования космологических проблем в полностью общей релятивистской обстановке. Он был разработан Джеймсом Мертенсом и Чи Тианом и опубликован в 2016 году. В коде реализованы различные новые методы численного решения уравнений поля Эйнштейна, включая решатель N-тел, полные возможности AMR через SAMRAI и трассировку лучей .
Космологические коды Больцмана
[ редактировать ]CMBFAST
[ редактировать ]CMBFAST — это компьютерный код, разработанный Урошем Селяком и Матиасом Залдарриагой (на основе кода Больцмана, написанного Эдмундом Берчингером, Чунг-Пей Ма и Полом Боде) для расчета спектра мощности анизотропии космического микроволнового фона. Это первая эффективная программа, позволяющая сократить время, необходимое для расчета анизотропии, с нескольких дней до нескольких минут за счет использования нового полуаналитического подхода прямой видимости.
КАМБ
[ редактировать ]Код анизотропии микроволнового фона Энтони Льюиса и Энтони Чаллинора. Первоначально код был основан на CMBFAST. Позже были внесены некоторые изменения, чтобы сделать его более быстрым, точным и совместимым с настоящим исследованием. Код написан объектно-ориентированным способом, что делает его более удобным для пользователя.
CMBEASY
[ редактировать ]CMBEASY — это пакет программного обеспечения, написанный Майклом Дораном, Георгом Робберсом и Кристианом М. Мюллером. Код основан на пакете CMBFAST. CMBEASY — это полностью объектно-ориентированный язык C++ . Это значительно упрощает манипуляции и расширения кода CMBFAST. Кроме того, для удобного хранения и визуализации данных можно использовать мощный класс Spline. Многие функции пакета CMBEASY также доступны через графический интерфейс пользователя. Это может быть полезно для развития интуиции, а также в целях обучения.
СОРТ
[ редактировать ]Целью системы решения космической линейной анизотропии является моделирование эволюции линейных возмущений во Вселенной и расчет реликтового излучения и наблюдаемых крупномасштабных структур. CLASS написан на простом языке C для достижения высокой производительности, однако его модульная структура имитирует архитектуру и философию классов объектно-ориентированных языков для повышения читабельности и модульности. Название «КЛАСС» также происходит от его объектно-ориентированного стиля, имитирующего понятие класса.
Пакеты оценки параметров
[ редактировать ]
Анализировать это
[ редактировать ]AnalizeThis — пакет оценки параметров, используемый космологами. Он поставляется с пакетом CMBEASY. Код написан на C++ и использует алгоритм глобального мегаполиса для оценки космологических параметров. Код был разработан Майклом Дораном для оценки параметров с использованием вероятности WMAP-5. Однако после 2008 года код не обновлялся для новых экспериментов CMB. Следовательно, этот пакет в настоящее время не используется исследовательским сообществом CMB. Пакет имеет приятный графический интерфейс.
КосмоМК
[ редактировать ]CosmoMC — это механизм Монте-Карло (MCMC) с цепями Маркова на Фортране 2003 года для исследования пространства космологических параметров. Код выполняет грубые (но точные) теоретические расчеты спектра мощности материи и Cl с использованием CAMB. CosmoMC использует простой локальный алгоритм Metropolis вместе с оптимизированным методом быстрой и медленной выборки. Этот метод быстрой и медленной выборки обеспечивает более быструю сходимость для случаев со многими мешающими параметрами, такими как Планк. Пакет CosmoMC также предоставляет подпрограммы для постобработки и построения графиков данных.
CosmoMC был написан Энтони Льюисом в 2002 году, и позже было разработано несколько версий, чтобы поддерживать актуальность кода для различных космологических экспериментов. В настоящее время это наиболее используемый код оценки космологических параметров.
Объем
[ редактировать ]SCoPE/Slick Cosmological Parameter Estimator — это недавно разработанный космологический пакет MCMC, написанный Сантану Дасом на языке C. Помимо стандартного алгоритма глобального мегаполиса, код использует три уникальных метода: «отложенное отклонение», которое увеличивает скорость принятия цепочки, «предварительная выборка», которая помогает отдельной цепочке работать на параллельных процессорах, и «обновление ковариации между цепочками». это предотвращает кластеризацию цепей, обеспечивая более быстрое и лучшее перемешивание цепей. Код способен быстрее вычислять космологические параметры по данным WMAP и Planck.
Другие пакеты
[ редактировать ]- MADCAP — Пакет вычислительного анализа данных микроволновой анизотропии, разработанный Борриллом и др.
- SIToolBox — SI Toolbox — пакет для оценки нарушения изотропии в небе реликтового излучения. Он разработан Das et al. и он состоит из нескольких подпрограмм Фортрана и автономных средств, которые можно использовать для оценки коэффициентов BipoSH по нестатистически изотропным (nSI) картам неба. [29]
- RECFAST — Программное обеспечение было разработано Сигером, Саселовым и Скоттом и использовалось для расчета истории рекомбинации Вселенной. В пакете используются космологические коды Больцмана (CMBFast, CAMB и т.д.).
- TOAST — масштабируемые инструменты для упорядоченной по времени астрофизики, разработанные и спроектированные Теодором Киснером, Рейхо Кескитало, Джулианом Борриллом и др. Он «обобщает проблему создания карт CMB до сокращения любых точечных данных во временной области и обеспечивает масштабирование анализа экспоненциально растущих наборов данных до крупнейших доступных систем HPC». [30]
- Commander — Commander — это оптимальный оценщик, управляемый цепью Маркова Монте-Карло, который реализует быстрое и эффективное сквозное апостериорное исследование реликтового излучения посредством выборки Гиббса. Он был разработан Хансом Кристианом Эриксеном и др. [31]
Пакеты программного обеспечения для определения вероятности
[ редактировать ]Различные космологические эксперименты, в частности эксперименты по реликтовому излучению, такие как WMAP и Planck, измеряют колебания температуры в небе реликтового излучения, а затем измеряют спектр мощности реликтового излучения на основе наблюдаемой карты неба. Но для оценки параметров требуется χ². Поэтому все эти эксперименты с реликтовым излучением сопровождаются собственным программным обеспечением вероятности.
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Селяк, Урос; Салдарриага, Матиас (1996). «Прямой подход к анизотропии космического микроволнового фона». Астрофизический журнал . 469 : 437–444. arXiv : astro-ph/9603033 . Бибкод : 1996ApJ...469..437S . дои : 10.1086/177793 . S2CID 3015599 .
- ^ Салдарриага, Матиас; Урос Селяк; Эдмунд Берчингер (1998). «Интегральное решение проблемы анизотропии микроволнового фона в неплоских вселенных». Астрофизический журнал . 494 (2): 491–502. arXiv : astro-ph/9704265 . Бибкод : 1998ApJ...494..491Z . дои : 10.1086/305223 . S2CID 15966880 .
- ^ Селяк У. и Залдарриага М. «CMBFAST» . Архивировано из оригинала 6 апреля 2016 г. Проверено 22 февраля 2014 г.
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Льюис, Энтони; Чаллинор, Энтони (2011). «CAMB: Код анизотропии микроволнового фона». Библиотека исходного кода астрофизики : ascl:1102.026. Бибкод : 2011ascl.soft02026L .
- ^ Доран, Майкл. "СМБИЗИ" . Архивировано из оригинала 18 января 2014 г. Проверено 22 февраля 2014 г.
- ^ Доран, Майкл (27 апреля 2006 г.). «CMBEASY:: Объектно-ориентированный код для космического микроволнового фона» . Журнал космологии и физики астрочастиц (представлена рукопись). 0510 (10): 011. arXiv : astro-ph/0302138 . Бибкод : 2005JCAP...10..011D . дои : 10.1088/1475-7516/2005/10/011 . S2CID 5451633 .
- ^ Блас, Д.; Ж. Лесгург; Т. Трамвай (2011). «КЛАСС II: Схемы аппроксимации». Журнал космологии и физики астрочастиц . 1107 (7): 034. arXiv : 1104.2933 . Бибкод : 2011JCAP...07..034B . дои : 10.1088/1475-7516/2011/07/034 . S2CID 53490516 .
- ^ Лесгург, Ж (2011). «КЛАСС I: Обзор». arXiv : 1104.2932 [ астро-ф.IM ].
- ^ Лесгург, Ж. «CLASS, система решения космической линейной анизотропии» . Архивировано из оригинала 15 июля 2023 года.
- ^ Дас, Сантану; Фан, Ань (5 мая 2020 г.). «Численное решение анизотропии космического микроволнового фона (CMBAns). Часть I. Введение в расчет Cl» . Журнал космологии и физики астрочастиц . 2020 (5): 006. arXiv : 1910.00725 . Бибкод : 2020JCAP...05..006D . дои : 10.1088/1475-7516/2020/05/006 . S2CID 203626962 .
- ^ Льюис, Энтони; Сара Брайдл (2002). «Космологические параметры реликтового излучения и другие данные: подход Монте-Карло». Физический обзор D . 66 (10): 103511. arXiv : astro-ph/0205436 . Бибкод : 2002PhRvD..66j3511L . дои : 10.1103/PhysRevD.66.103511 . S2CID 55316758 .
- ^ Льюис, Энтони (2013). «Эффективная выборка быстрых и медленных космологических параметров». Физический обзор D . 87 (10): 103529. arXiv : 1304.4473 . Бибкод : 2013PhRvD..87j3529L . дои : 10.1103/PhysRevD.87.103529 . S2CID 119259816 .
- ^ Доран, Майкл; Кристиан М. Мюллер (2004). «Анализируйте это! Пакет космологических ограничений для CMBEASY». Журнал космологии и физики астрочастиц . 0409 (3): 003. arXiv : astro-ph/0311311 . Бибкод : 2004JCAP...09..003D . дои : 10.1088/1475-7516/2004/09/003 . S2CID 119333027 .
- ^ Дас, Сантану; Тарун Сурадип (2014). «SCoPE: эффективный метод оценки космологических параметров». Журнал космологии и физики астрочастиц . 1407 (18): 018. arXiv : 1403.1271 . Бибкод : 2014JCAP...07..018D . дои : 10.1088/1475-7516/2014/07/018 . S2CID 119233297 .
- ^ «Космологическое моделирование с помощью GADGET» .
- ^ Спрингель, Волкер; Ёсида, Наоки; Уайт, Саймон Д.М. (2001). «ГАДЖЕТ: программа для бесстолкновительного и газодинамического космологического моделирования». Новая астрономия . 6 (2): 79–117. arXiv : astro-ph/0003162 . Бибкод : 2001NewA....6...79S . дои : 10.1016/S1384-1076(01)00042-2 . S2CID 5879269 .
- ^ Спрингель, Волкер (2005). «Код космологического моделирования Гаджет-2». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 364 (4): 1105–1134. arXiv : astro-ph/0505010 . Бибкод : 2005MNRAS.364.1105S . дои : 10.1111/j.1365-2966.2005.09655.x . S2CID 16378825 .
- ^ «ASCL.net — GADGET-2: Код для космологического моделирования формирования структур» . ascl.net . Проверено 25 октября 2023 г.
- ^ Спрингель, Волкер; Пакмор, Рюдигер; Зир, Оливер; Райнеке, Мартин (2021). «Моделирование формирования космической структуры с помощью кода <SCP>гаджета</SCP>-4». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 506 (2): 2871–2949. arXiv : 2010.03567 . дои : 10.1093/mnras/stab1855 .
- ^ «ASCL.net - GADGET-4: Параллельное космологическое N-тело и код SPH» . ascl.net . Проверено 25 октября 2023 г.
- ^ Спрингель, Волкер (2010). « E Pur si Muove: галилеевско-инвариантное космологическое гидродинамическое моделирование на движущейся сетке». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 401 (2): 791–851. arXiv : 0901.4107 . Бибкод : 2010MNRAS.401..791S . дои : 10.1111/j.1365-2966.2009.15715.x . S2CID 119241866 .
- ^ «ASCL.net - AREPO: Космологический магнитогидродинамический код моделирования движущейся сетки» . ascl.net . Проверено 25 октября 2023 г.
- ^ «Документация Arepo — Документация Arepo 1.0» .
- ^ «ASCL.net - GIZMO: Многометодный код магнитогидродинамики + гравитации» . ascl.net . Проверено 25 октября 2023 г.
- ^ «GIZMO | Исследовательская группа Фила Хопкинса» . www.tapir.caltech.edu . Проверено 25 октября 2023 г.
- ^ Рац, Г.; Сапуди, И.; Добос, Л.; Чабаи, И.; Салай, А.С. (2019). «StePS: космологический код N тел с несколькими графическими процессорами для компактифицированного моделирования». Астрономия и вычислительная техника . 28 : 100303. arXiv : 1811.05903 . Бибкод : 2019A&C....2800303R . дои : 10.1016/j.ascom.2019.100303 . S2CID 84842307 .
- ^ «ASCL.net - StepPS: Стереографически спроецированные космологические модели» . ascl.net . Проверено 25 октября 2023 г.
- ^ StePS — STEreographically Projected космологическое моделирование , Виртуальная обсерватория ELTE, 02 марта 2023 г. , получено 25 октября 2023 г.
- ^ Дас, Сантану (ноябрь 2019 г.). «SIToolBox: пакет для байесовской оценки нарушения изотропии в небе реликтового излучения» . МНРАС . 489 (4): 5889–5899. arXiv : 1810.09470 . дои : 10.1093/mnras/stz2542 .
- ^ «C3 Research — CMB» .
- ^ Эриксен, Гонконг; Джуэлл, Дж.Б.; Дикинсон, К.; Бандей, Эй Джей; Горский, К.М.; Лоуренс, ЧР (март 2008 г.). «Совместное байесовское разделение компонентов и оценка спектра мощности CMB» . Астрофизический журнал . 676 (1): 10–32. arXiv : 0709.1058 . Бибкод : 2008ApJ...676...10E . дои : 10.1086/525277 . S2CID 8662228 .