Вычислительная астрофизика относится к методам и вычислительным инструментам, разработанным и используемым в астрофизических исследованиях. Подобно вычислительной химии или вычислительной физике , это и особый раздел теоретической астрофизики, и междисциплинарная область, основанная на информатике , математике и более широкой физике . Вычислительная астрофизика чаще всего изучается по программе 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 - это численная теория относительности .
Исследовать
Многие астрофизики используют компьютеры в своей работе, и все большее число отделов астрофизики теперь имеют исследовательские группы, специально посвященные вычислительной астрофизике. Важные исследовательские инициативы включают сотрудничество SciDAC Министерства энергетики США (DoE) в области астрофизики [1] и уже не существующее европейское сотрудничество AstroSim. [2] Заметным активным проектом является международный Консорциум Девы , который фокусируется на космологии.
В августе 2015 года во время генеральной ассамблеи Международного астрономического союза была открыта новая комиссия C.B1 по вычислительной астрофизике , тем самым признав важность астрономических открытий с помощью вычислений.
Важные методы вычислительной астрофизики включают моделирование частиц в ячейках (PIC) и тесно связанные с ними сетки частиц (PM), моделирование N-тел , методы Монте-Карло , а также методы без сетки (с гидродинамикой сглаженных частиц (SPH), являющейся важный пример) и сеточные методы для жидкостей. Кроме того, используются методы численного анализа для решения ОДУ и УЧП .
Моделирование астрофизических потоков имеет особое значение, поскольку многие объекты и процессы, представляющие астрономический интерес, такие как звезды и туманности, связаны с газами. Компьютерные модели жидкостей часто сочетаются с переносом излучения, (ньютоновской) гравитацией, ядерной физикой и (общей) теорией относительности для изучения высокоэнергетических явлений, таких как сверхновые, релятивистские джеты , активные галактики и гамма-всплески [3], а также используются для моделирования звездная структура , планетарное образование , эволюция звезд и галактик , а также экзотические объекты, такие как нейтронные звезды , пульсары , магнетары и черные дыры. [4] Компьютерное моделирование часто является единственным средством изучения столкновений звезд , слияния галактик , а также взаимодействия галактик и черных дыр. [5] [6]
В последние годы в этой области все чаще используются параллельные и высокопроизводительные компьютеры . [7]
Инструменты
Вычислительная астрофизика как область широко использует программные и аппаратные технологии. Эти системы часто являются узкоспециализированными и производятся преданными своему делу профессионалами, поэтому обычно пользуются ограниченной популярностью в более широком сообществе (вычислительной) физики.
Аппаратное обеспечение
Как и в других подобных областях, вычислительная астрофизика широко использует суперкомпьютеры и компьютерные кластеры . Даже в масштабе обычного десктопа можно аппаратно разогнать . Возможно, самой известной компьютерной архитектурой, созданной специально для астрофизики, является ВИНОГРАД (гравитационная труба) в Японии.
По состоянию на 2010 год самые крупные модели N-body, такие как DEGIMA , выполняли универсальные вычисления на графических процессорах . [8]
Программное обеспечение
Существует множество кодов и пакетов программного обеспечения, а также их обслуживают различные исследователи и консорциумы. Большинство кодов, как правило, представляют собой пакеты n-body или какие-то жидкие решатели. Примеры кодов n-body включают ChaNGa , MODEST, [9] nbodylab.org [10] и Starlab. [11]
Для гидродинамики обычно существует связь между кодами, поскольку движение жидкостей обычно имеет некоторые другие эффекты (например, гравитацию или излучение) в астрофизических ситуациях. Например, для тела SPH / N есть GADGET и SWIFT; [12] для сеток / N-body RAMSES, [13] ENZO, [14] FLASH, [15] и ART. [16]
AMUSE [2] , [17] использует другой подход (названный Ноев ковчег [18] ), чем другие пакеты, предоставляя структуру интерфейса для большого количества общедоступных астрономических кодов для решения звездной динамики, звездной эволюции, гидродинамики и переноса излучения. .
Смотрите также
- Millennium Simulation , Eris и Bolshoi Cosmological Simulation - это астрофизические модели суперкомпьютеров.
- Плазменное моделирование
- Вычислительная физика
- Теоретическая астрономия и теоретическая астрофизика
- Центр вычислительной теории относительности и гравитации
- Центр высокопроизводительных астрокомпьютерных вычислений Калифорнийского университета
Рекомендации
- ^ "Консорциум астрофизики SciDAC" . По состоянию на 8 марта 2012 г.
- ^ AstroSim.net архивации 3 января 2012 в Wayback Machine . По состоянию на 8 марта 2012 г.
- ^ Прорывное исследование подтверждает причину коротких гамма-всплесков . Сайт Astronomy (magazine) .com, 8 апреля 2011 г. Источник: 20 ноября 2012 г.
- ^ Например, см. Статью Космические колебания от нейтронных звезд . Проверено 21 мар 2012.
- ^ GALMER: GALAXY Слияние в виртуальной обсерватории [ постоянная битая ссылка ] : Прессрелиз. Проверено 20 мар 2012. Домашняя страница проекта . Проверено 20 мар 2012.
- ^ НАСА достигает прорыва в моделировании черной дыры ; от 18 апреля 2006 г. Получено 18 марта 2012 г.
- ↑ Лучио 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 данных и анализу (SC '10). IEEE Computer Society, Вашингтон, округ Колумбия, США, 1–9. DOI : 10,1109 / SC.2010.1
- ^ Домашняя страница MODEST (моделирование систем DEnse STellar). . По состоянию на 5 апреля 2012 г.
- ^ NBodyLab. По состоянию на 5 апреля 2012 г.
- ^ «Добро пожаловать в Starlab» .
- ^ Том Theuns, Эйданна Chalk, Матья Schaller, Педро Гонне: «СВИФТ: задачиоснове гидродинамики и гравитации для космологического моделирования» [1]
- ^ Код RAMSES
- ^ Брайан В. О'Ши, Грег Брайан, Джеймс Борднер, Майкл Л. Норман, Том Абель, Роберт Харкнесс, Алексей Критсук: «Представляем Enzo, приложение AMR Cosmology». Ред. Т. Плева, Т. Линде и В. Г. Вейрс, Лекционные заметки Springer по вычислительной науке и технике, 2004. arXiv: astro-ph / 0403044 (получено 20 ноября 2012 г.);
Страницы проекта по адресу:- Enzo @ Laboratory for Computational Astrophysics , Архивировано 12 декабря 2012 г. в archive.today Университета Сан-Диего (получено 20 ноября 2012 г.);
- enzo: Astrophysical Adaptive Mesh Refinement . Домашняя страница проекта кода Google (получено 20 ноября 2012 г.).
- ^ Флэш-центр вычислительной науки. По состоянию на 3 июня 2012 г.
- ^ Кравцов, А.В., Клыпин, А.А., Хохлов, А.М., «ART: новый код N-тела высокого разрешения для космологического моделирования», ApJS, 111, 73, (1997)
- ^ AMUSE (Астрофизическая многоцелевая программная среда)
- ^ Portegies Zwart et al., "Мультифизическая и многомасштабная программная среда для моделирования астрофизических систем", NewA, 14, 369, (2009)
дальнейшее чтение
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. W Yorke. 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
- Автоматическое определение типа галактики из наборов данных изображений галактик на основе метода поиска изображений, Мохамед Абд Эль Азиз, И.М. Селим и Шенгву Сюн Научные отчеты 7, 4463, 2017
Журналы (открытый доступ):
- Живые обзоры в вычислительной астрофизике
- Вычислительная астрофизика и космология