Список программ космологических вычислений - List of cosmological computation software

В космический микроволновый фон (CMB) - тепловое излучение, оставшееся от "Большой взрыв " из космология. CMB - это снимок самого старого источника света в нашей вселенная, запечатленный на небе, когда Вселенной было всего 380000 лет. Он показывает крошечные колебания температуры, которые соответствуют областям с немного разной плотностью, представляя собой семена всей будущей структуры: сегодняшних звезд и галактик. Следовательно, анализ малых анизотропия в CMB помогает нам понять происхождение и судьба нашей вселенной. За последние несколько десятилетий наблюдения и несколько экспериментов, проведенных для понимания основной структуры Вселенной, значительно улучшились. Для анализа данных различных космологических экспериментов и понимания теоретической природы Вселенной многие передовые методы и компьютерное программное обеспечение разрабатываются и используются космологами в течение многих лет. Эти программы широко используются космологами по всему миру.

Вычислительное программное обеспечение, используемое в космологии, можно разделить на следующие основные классы.

• Программное обеспечение для создания и обработки карт: Это программное обеспечение используется для подготовки карт неба CMB по грубым данным наблюдений. Программное обеспечение HEALPIX^[1][2][3] используется для создания и обработки карт.
• Космологические коды Больцмана: Эти коды используются для расчета теоретического спектра мощности с учетом космологических параметров. Эти коды могут рассчитывать спектр мощности по стандартной модели LCDM или ее производным. Некоторые из наиболее часто используемых кодов Больцмана CMB - CMBFAST,^[4][5][6] КАМБ,^[7] CMBEASY,^[8][9] УЧЕБНЫЙ КЛАСС,^[10][11][12] CMBAns и т. Д.
• Оценщик космологического параметра: Коды оценки параметров используются для вычисления наиболее подходящих параметров из данных наблюдений. Готовые коды, доступные для этой цели: CosmoMC,^[13][14] AnalyzeThis,^[15] Объем^[16] и Т. Д.

Программное обеспечение для создания и обработки карт

HEALPix

HEALPix (иногда пишется как Healpix), акроним для иерархической равновеликой isoLatitude Pixelisation 2-сферы может относиться к любому алгоритму для пикселизации 2-сфера, связанный программный пакет или связанный класс картографических проекций. Healpix широко используется для создания космологических случайных карт. Первоначальной мотивацией для разработки HEALPix была необходимость. НАСА с WMAP и Европейское космическое агентство Миссия Планк создавать многочастотные наборы данных, достаточные для построения карт полного неба микроволнового неба с угловым разрешением в несколько угловых минут. Основные требования при разработке HEALPix заключались в создании математической структуры, которая поддерживает подходящую дискретизацию функций на сфере с достаточно высоким разрешением, а также для облегчения быстрого и точного статистического и астрофизического анализа массивных наборов данных всего неба. Карты HEALPix используются почти во всех исследованиях обработки данных в космологии.

Космологические коды Больцмана

CMBFAST

CMBFAST это компьютерный код, разработанный Урош Селяк и Матиас Залдарриага (на основе кода Больцмана, написанного Эдмундом Бертшингером, Чунг-Пей Ма и Пол Боде) за вычисление спектра мощности анизотропии космического микроволнового фона. Это первая эффективная программа, которая делает это, сокращая время, необходимое для вычисления анизотропии с нескольких дней до нескольких минут, за счет использования нового полуаналитического подхода прямой видимости.

CAMB

Код для анизотропии в микроволновом фоне Энтони Льюис и Энтони Чаллинор. Код изначально был основан на CMBFAST. Позже было сделано несколько усовершенствований, чтобы сделать его более быстрым и точным и совместимым с настоящим исследованием. Код написан на объектно-ориентированный способ сделать его более удобным.

CMBEASY

CMBEASY - это программный пакет, написанный Майклом Дораном, Георгом Робберсом и Кристианом М. Мюллером. Код основан на пакете CMBFAST. CMBEASY полностью объектно-ориентированный C ++. Это значительно упрощает манипуляции и расширения кода CMBFAST. Кроме того, мощный класс Spline можно использовать для простого хранения и визуализации данных. Многие функции пакета CMBEASY также доступны через графический интерфейс пользователя. Это может быть полезно для развития интуиции, а также для обучения.

УЧЕБНЫЙ КЛАСС

CLASS - это новый код Больцмана, разработанный в этой линии. Целью CLASS является моделирование эволюции линейных возмущений во Вселенной и вычисление наблюдаемых CMB и крупномасштабных структур. Его название также связано с тем, что он написан в объектно-ориентированном стиле, имитирующем понятие класса. Классы - это функция программирования, доступная, например, в C ++ и Python, но известно, что эти языки менее векторизуемы / распараллеливаются, чем простые C (или же Фортран ) и, следовательно, потенциально медленнее. CLASS написан на простом C для обеспечения высокой производительности, а код организован в несколько модулей, которые воспроизводят архитектуру и философию классов C ++ для оптимальной читаемости и модульности.

Пакеты оценки параметров

Снимок пакета графического интерфейса AnalyzeThis (CMBEASY). График показывает распределение вероятности маргинализации из цепочки MCMC.

Анализировать это

AnalizeThis - это пакет для оценки параметров, используемый космологами. Он поставляется с пакетом CMBEASY. Код написан на языке 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.

CosmoMC

CosmoMC - это Fortran 2003 Цепь Маркова Монте-Карло (MCMC) движок для исследования пространства космологических параметров. Код выполняет грубую (но точную) теоретическую спектр мощности вещества и Cl расчеты с использованием CAMB. CosmoMC использует простой локальный алгоритм Метрополиса вместе с оптимизированным методом быстрой-медленной выборки. Этот метод быстрой и медленной выборки обеспечивает более быструю сходимость для случаев со многими мешающими параметрами, такими как Planck. Пакет CosmoMC также предоставляет подпрограммы для постобработки и построения 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 часто используемый код оценки космологических параметров.

Объем

SCoPE / Slick Cosmological Parameter Estimator - это недавно разработанный космологический пакет MCMC, написанный Сантану Дасом на языке C. Помимо стандартного глобального алгоритма мегаполиса, в коде используются три уникальных метода, называемых «отложенное отклонение», которые увеличивают скорость принятия цепочки, «предварительная выборка», которая помогает отдельной цепочке работать на параллельных процессорах, и «обновление ковариации между цепями». что предотвращает кластеризацию цепей, обеспечивая более быстрое и лучшее перемешивание цепей. Программа позволяет быстрее вычислять космологические параметры по данным WMAP и Planck.

Другие пакеты

• MADCAP - Пакет вычислительного анализа данных микроволновой анизотропии, разработанный Borrill et al.
• РЕКФАСТ - Программное обеспечение было разработано Сигером, Сасселовым и Скоттом и использовалось для расчета истории рекомбинации Вселенной. В пакете используются космологические коды Больцмана (CMBFast, CAMB и др.)

Программные пакеты правдоподобия

Различные космологические эксперименты, в частности эксперименты CMB, такие как WMAP и Планк измеряет флуктуации температуры в небе CMB, а затем измеряет спектр мощности CMB по наблюдаемой карте неба. Но для оценки параметра требуется χ². Следовательно, все эти эксперименты с реликтовым излучением имеют собственное программное обеспечение для вероятностей.

• Пакет вероятности WMAP
• Программное обеспечение Planck Likelihood

Смотрите также

• Космологическая теория возмущений
• Проект Illustris
• Лямбда-CDM модель
• Физическая космология
• Планк (космический корабль)
• Наблюдательная космология
• ВселеннаяМашина
• СВЧ-датчик анизотропии Wilkinson

Примечания

1. Горски, Кшиштоф М .; Бенджамин Д. Ванделт; Фроде К. Хансен; Эрик Хивон; Энтони Дж. Бэнди (23 мая 1999 г.). «Праймер HEALPix». arXiv:Astro-ph / 9905275.
2. "ХИЛПИКС". программного обеспечения. НАСА.
3. Горски, К. М .; Э. Хивон; A. J. Banday; Б. Д. Вандельт; Ф. К. Хансен; М. Райнеке; М. Бартельман (2005). «HEALPix - платформа для дискретизации высокого разрешения и быстрого анализа данных, распространяемых в сфере». Астрофизический журнал. 622 (2): 759–771. arXiv:astro-ph / 0409513. Bibcode:2005ApJ ... 622..759G. Дои:10.1086/427976. S2CID  18743679.
4. Сельджак, Урос; Залдарриага, Матиас (1996). «Линия прямой видимости для космических микроволновых фоновых анизотропий». Астрофизический журнал. 469: 437–444. arXiv:Astro-ph / 9603033. Bibcode:1996ApJ ... 469..437S. Дои:10.1086/177793. S2CID  3015599.
5. Залдарриага, Матиас; Урос Селджак; Эдмунд Берчингер (1998). «Интегральное решение для анизотропии микроволнового фона в неплоских вселенных». Астрофизический журнал. 494 (2): 491–502. arXiv:Astro-ph / 9704265. Bibcode:1998ApJ ... 494..491Z. Дои:10.1086/305223. S2CID  15966880.
6. Сельджак, У., Залдарриага, М. "CMBFAST".
7. Льюис, Энтони; Чаллинор, Энтони (2011). «CAMB: Код анизотропии в микроволновом фоне». Библиотека исходного кода астрофизики: ascl: 1102.026. Bibcode:2011ascl.soft02026L.
8. Доран, Майкл. "CMBEASY". Архивировано из оригинал на 2014-01-18. Получено 2014-02-22.
9. Доран, Майкл (27 апреля 2006 г.). "CMBEASY :: объектно-ориентированный код космического микроволнового фона". Журнал космологии и физики астрономических частиц (Представлена ​​рукопись). 0510 (10): 011. arXiv:Astro-ph / 0302138. Bibcode:2005JCAP ... 10..011D. Дои:10.1088/1475-7516/2005/10/011. S2CID  5451633.
10. Blas, D .; Ж. Лесгург; Т. Трамвай (2011). «КЛАСС II: Аппроксимационные схемы». Журнал космологии и физики астрономических частиц. 1107 (7): 034. arXiv:1104.2933. Bibcode:2011JCAP ... 07..034B. Дои:10.1088/1475-7516/2011/07/034. S2CID  53490516.
11. Lesgourgues, J (2011). «КЛАСС I: Обзор». arXiv:1104.2932 [Astro-ph.IM ].
12. Лесгур, Ж. "УЧЕБНЫЙ КЛАСС".
13. Льюис, Энтони; Сара Брайдл (2002). «Космологические параметры из CMB и других данных: подход Монте-Карло». Физический обзор D. 66 (10): 103511. arXiv:Astro-ph / 0205436. Bibcode:2002PhRvD..66j3511L. Дои:10.1103 / PhysRevD.66.103511. S2CID  55316758.
14. Льюис, Энтони (2013). «Эффективная выборка быстрых и медленных космологических параметров». Физический обзор D. 87 (10): 103529. arXiv:1304.4473. Bibcode:2013PhRvD..87j3529L. Дои:10.1103 / PhysRevD.87.103529. S2CID  119259816.
15. Доран, Майкл; Кристиан М. Мюллер (2004). «Анализируйте это! Пакет космологических ограничений для CMBEASY». Журнал космологии и физики астрономических частиц. 0409 (3): 003. arXiv:Astro-ph / 0311311. Bibcode:2004JCAP ... 09..003D. Дои:10.1088/1475-7516/2004/09/003. S2CID  119333027.
16. Дас, Сантану; Тарун Сурадип (2014). «SCoPE: эффективный метод оценки космологических параметров». Журнал космологии и физики астрономических частиц. 1407 (18): 018. arXiv:1403.1271. Bibcode:2014JCAP ... 07..018D. Дои:10.1088/1475-7516/2014/07/018. S2CID  119233297.