Вычислительная астрофизика - Computational astrophysics

Вычислительная астрофизика относится к методам и вычислительным средствам, разработанным и используемым в астрофизика исследование. Нравиться вычислительная химия или вычислительная физика, это как отдельная ветвь теоретическая астрофизика и междисциплинарная область, опирающаяся на Информатика, математика, и шире физика. Вычислительная астрофизика чаще всего изучается по программе прикладной математики или астрофизики на уровне доктора философии.

Хорошо зарекомендовавшие себя области астрофизики, использующие вычислительные методы, включают: магнитогидродинамика, астрофизический перенос излучения, звездный и галактический динамика и астрофизические динамика жидкостей. Недавно разработанная область с интересными результатами числовая теория относительности.

Исследование

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 Министерство энергетики США (DoE) SciDAC сотрудничество в области астрофизики[1] и ныне несуществующее европейское сотрудничество AstroSim.[2] Заметным активным проектом является международный Консорциум Девы, который посвящен космологии.

В августе 2015 г. во время генеральной ассамблеи Международного астрономического союза новый комиссия C.B1 по вычислительной астрофизике был открыт, тем самым признав важность астрономических открытий с помощью вычислений.

Важные методы вычислительной астрофизики включают: частица в клетке (PIC) и тесно связанные сетка из частиц (ВЕЧЕРА), Моделирование N-тела, Методы Монте-Карло, а также без сетки (с гидродинамика сглаженных частиц (SPH) является важным примером) и сетка методы для жидкостей. Кроме того, методы из числовой анализ для решения ODE и PDEs 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 звездная структура, планетарное образование, эволюция звезд и галактик и экзотические предметы, такие как нейтронные звезды, пульсары, магнетары и черные дыры.[4] Компьютерное моделирование часто единственный способ учиться звездные столкновения, слияния галактик, а также галактический и взаимодействия черных дыр.[5][6]

В последние годы в этой области все шире используются параллельно 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 рабочего стола можно ускорить оборудование. Пожалуй, самый заметный из таких компьютерная архитектура построенный специально для астрофизики ВИНОГРАД (самотечная труба) в Японии.

По состоянию на 2010 год самые крупные модели N-тела, такие как ДЕГИМА, делать универсальные вычисления на графических процессорах.[8]

Программного обеспечения

Существует множество кодов и программных пакетов, а также их обслуживают различные исследователи и консорциумы. Большинство кодов, как правило, представляют собой пакеты n-body или какие-то жидкие решатели. Примеры кодов из n тел включают Чанга, СКРОМНЫЙ,[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 SPH / N-body есть ГАДЖЕТ и SWIFT;[12] для решетчатых / N-корпусных RAMSES,[13] ENZO,[14] ВСПЫШКА,[15] и ART.[16]

Развлечься [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 переноса излучения.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Консорциум SciDAC Astrophysics". По состоянию на 8 марта 2012 г.
  2. ^ AstroSim.net В архиве 3 января 2012 г. Wayback Machine. По состоянию на 8 марта 2012 г.
  3. ^ Новое исследование подтвердило причину коротких гамма-всплесков. Астрономия (журнал).com, 8 апреля 2011 г. Дата обращения: 20 ноября 2012 г.
  4. ^ Например, смотрите статью Космические колебания нейтронных звезд. Проверено 21 мар 2012.
  5. ^ ГАЛМЕР: GALaxy MER объединяется в виртуальной обсерватории[постоянная мертвая ссылка ] : Выпуск новостей. Проверено 20 мар 2012. Домашняя страница проекта. Проверено 20 мар 2012.
  6. ^ НАСА совершило прорыв в моделировании черной дыры ; от 18 апреля 2006 г. Получено 18 марта 2012 г.
  7. ^ Лучио Майер. Предисловие: Advanced Science Letters (ASL), специальный выпуск по вычислительной астрофизике.
  8. ^ Хамада Т., Нитадори К. (2010) Астрофизическое моделирование N-тел со скоростью 190 терафлопс на кластере графических процессоров. В Материалы 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. Дои:10.1109 / SC.2010.1
  9. ^ Домашняя страница MODEST (MOdeling DEnse STellar systems).. По состоянию на 5 апреля 2012 г.
  10. ^ NBodyLab. По состоянию на 5 апреля 2012 г.
  11. ^ «Добро пожаловать в Starlab».
  12. ^ Том Теунс, Эйдан Чок, Матье Шаллер, Педро Гонне: «SWIFT: гидродинамика и гравитация на основе задач для космологического моделирования» [1]
  13. ^ Код RAMSES
  14. ^ Брайан У. О'Ши, Грег Брайан, Джеймс Борднер, Майкл Л. Норман, Том Абель, Роберт Харкнесс, Алексей Крицук: «Представляем Enzo, приложение для космологии AMR». Ред. Т. Плева, Т. Линде и В. Г. Вейрс, Лекционные заметки Springer по вычислительным наукам и технике, 2004. arXiv: astro-ph / 0403044 (получено 20 ноября 2012 г.);
    Страницы проекта по адресу:
  15. ^ Флэш-центр вычислительной науки. По состоянию на 3 июня 2012 г.
  16. ^ Кравцов, А.В., Клыпин, А.А., Хохлов, А.М., “ART: новый N-телесный код высокого разрешения для космологического моделирования”, ApJS, 111, 73, (1997)
  17. ^ AMUSE (Астрофизическая многоцелевая программная среда)
  18. ^ 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 Xiong Scientific Reports 7, 4463, 2017

Журналы (открытый доступ):