ستاره‌شناسی و کیهان‌شناسی

N-بدنی کیهان‌شناختی

مادهٔ تاریک به‌صورت میلیاردها ذره، که زیر گرانش از جهان نخستین تقریباً یکنواخت به تار کیهانی رشته‌ها، دیوارها و تهی‌گاه‌ها رشد کرده است.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا مدل ما از جهان همان ساختار بزرگ‌مقیاسی را رشد می‌دهد که تلسکوپ‌ها می‌بینند؟

کنار می‌گذارد: یک ذره نمایندهٔ یک میلیون خورشید است، پس چیزی کوچک‌تر از یک کهکشان واقعاً آنجا نیست.

اجرا می‌شود روی: حدود 10^17.5 FLOPS تقریبی بخش بزرگی از یک ابررایانهٔ ملی، چند هفته.از: 1970 مدل 300-نقطه‌ای پیبلز از شکل‌گیری یک خوشهٔ کهکشانی، از نخستین‌ها؛ اجراهای N-جسم خوشه‌های ستاره‌ای با فون هورنر در 1960 آغاز شد

شکل‌گیری کهکشان

سرد شدن گاز، ستاره‌زایی و انفجار ابرنواخترها، و برافزایی سیاه‌چاله که جریان‌های بیرون‌رونده را می‌راند، همه روی تار مادهٔ تاریک لایه‌بندی می‌شوند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: چرا کهکشان‌ها شکل‌ها و اندازه‌هایی دارند که دارند؟

کنار می‌گذارد: تشکیل ستاره و بازخورد سیاه‌چاله با دستورهای زیرشبکه‌ای قابل تنظیم نمایش داده می‌شوند، نه با استخراج از اصول اولیه.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁷ FLOPS تقریبی برشی بزرگ از یک ابررایانهٔ ملی، چند هفته زمان اجرا.از: 1992 نخستین شبیه‌سازی‌های ترکیبی گرانش و گاز از کهکشان‌های در حال شکل‌گیری.

هسته‌زایی مهبانگ

بیست دقیقهٔ نخست، وقتی جهان یک راکتور هسته‌ای بود که هیدروژن، هلیوم و اثری از لیتیوم می‌ساخت.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا نسبت‌های عنصری پیش‌بینی‌شده با کهن‌ترین گازی که می‌توانیم اندازه بگیریم می‌خواند؟

کنار می‌گذارد: فرض می‌کند جهان نخستین کاملاً همگن بود، با اینکه ناهمگنی‌های کوچکی داشت.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی یک لپ‌تاپ؛ کل محاسبه چند ثانیه طول می‌کشد.از: 1967 نخستین فراوانی‌های محاسبه‌شدهٔ عنصرهای سبک از Wagoner، Fowler و Hoyle.

زمینهٔ ریزموج کیهانی

موج‌هایی در پلاسمای داغ جهان جوان که تا زمان رهاشدن نور، 380000 سال پس از مه‌بانگ، تحول می‌یابند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: کدام پارامترهای کیهان‌شناختی الگوی نقطه‌های داغ و سردی را که می‌بینیم تولید می‌کنند؟

کنار می‌گذارد: فرض می‌کند مدل استاندارد کیهان‌شناختی درست است و فقط مجموعهٔ کوچک پارامترهایش را برازش می‌دهد.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹³ FLOPS تقریبی ایستگاه کاری رومیزی؛ چند دقیقه برای هر مجموعه پارامتر.از: 1996 کد بولتزمن سریع سلجک و زالداریاگا برای آسمان ریزموج.

یونش دوبارهٔ کیهانی

نور فرابنفش از نخستین ستاره‌ها و کهکشان‌ها که در هیدروژن خنثایی که جهان آغازین را پر کرده پخش می‌شود و آن را یونیزه می‌کند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: پس از عصر تاریک کیهانی، چه چیزی جهان را دوباره یونیزه کرد؟

کنار می‌گذارد: چشمه‌های کم‌نور و دوری که بیشترِ یونیزه‌کردن را انجام می‌دهند هنوز زیر آستانهٔ دیدن مستقیم هر تلسکوپی‌اند، پس شمارشان برون‌یابی می‌شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁷ FLOPS تقریبی سهم بزرگی از یک ابررایانهٔ ملی، چند هفته.از: 1999 نخستین شبیه‌سازی‌های انتقال تابشی نخستین حباب‌های یونیده.

محیط میان‌کهکشانی و جنگل لیمان-آلفا

گاز رقیق کشیده میان کهکشان‌ها، با گرانش و گرمایش تحول می‌یابد تا الگوی جذبش با جنگل سوسوزن خطوط در طیف یک کوازار دور بخواند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: چقدر مادهٔ معمولی در گاز میان کهکشان‌ها هست و چقدر داغ است؟

کنار می‌گذارد: به فرض‌هایی بستگی دارد دربارهٔ اینکه نور فرابنفش کهکشان‌ها گاز را چگونه گرم می‌کند، که مستقیم مشاهده نشده است.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁶ FLOPS تقریبی یک خوشهٔ دانشگاهی یا ملی، چند هفته برای هر حجم شبیه‌سازی‌شده.از: 1994 نخستین شبیه‌سازی‌های هیدرودینامیکی که جنگل لیمان-آلفا را بازتولید کردند.

شبیه‌سازی‌های مادهٔ تاریک موجی

جهان با مادهٔ تاریک به‌صورت موج کوانتومی همدوس پیرو معادله‌های شرودینگر و پواسون، به‌جای ذره‌های کلاسیک، تحول می‌یابد.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: اگر مادهٔ تاریک یک موج فوق‌سبک بود، ساختار کیهان چه شکلی داشت؟

کنار می‌گذارد: نیاز به تفکیک موج، حجم‌های بزرگ را دشوار می‌کند، و باریون‌ها بیشتر کنار گذاشته می‌شوند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁹ FLOPS تقریبی شبیه‌سازی‌های موج بزرگ با شبکهٔ تطبیقیاز: 2014 Cosmic structure as the quantum interference of a coherent dark wave (2014) منبع

شبیه‌سازی‌های مقید جهان محلی

اجراهای کیهان‌شناختی که شرایط اولیه‌شان طوری تنظیم می‌شود که حجم تحول‌یافته همسایه‌های مشاهده‌شدهٔ کهکشان ما، از جمله خوشه‌های نزدیک، را بازتولید کند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا می‌توانیم ساختارهای واقعی پیرامون راه شیری را شبیه‌سازی کنیم، نه تکه‌ای معمولی از جهان را؟

کنار می‌گذارد: قیدها از داده‌های فاصلهٔ پرنوفه می‌آیند، پس تطبیق آماری است، نه دقیق.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁹ FLOPS تقریبی اجراهای بزرگ N-جسم یا هیدرودینامیکی از شرایط اولیهٔ مقیداز: 2010 Constrained Local UniversE Simulations (CLUES) (2010) منبع

شبیه‌ساز‌های کیهان‌شناختی

مجموعه‌ای اندک از شبیه‌سازی‌های گران کیهان‌شناختی برای آموزش یک درون‌یاب سریع به کار می‌رود که آمارهایی مثل طیف توان ماده را برای مقادیر پارامتر نزدیک پیش‌بینی می‌کند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا می‌توانیم ساختار را برای هزاران انتخاب پارامتر از چند ده شبیه‌سازی پیش‌بینی کنیم؟

کنار می‌گذارد: فقط دامنهٔ پارامتر و آمارهایی را می‌پوشاند که روی آن آموزش دیده است.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁸ FLOPS تقریبی طراحی ده‌ها اجرای N-بدنی، سپس پیش‌بینی‌هایی تقریباً رایگاناز: 2010 The Coyote Universe III: simulation suite and precision emulator (2010) منبع

ترکیب جمعیت ستاره‌ای

نور تلفیقی نسل‌های بسیار ستاره از مسیرهای تکامل و طیف ستاره‌ای جمع می‌شود، تا سن، جرم و تاریخچهٔ تشکیل ستاره از رنگ‌های یک کهکشان خوانده شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: چه مخلوطی از ستاره‌ها به یک کهکشان رنگش را می‌دهد؟

کنار می‌گذارد: مسیرهای ستاره‌ای و کتابخانه‌های طیفی عدم‌قطعیت‌های خودشان را دارند، مثلاً برای مراحل پایانی تکامل.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁹ FLOPS تقریبی ترکیب ارزان طیف‌ها، که روی شبکه‌ای از سن‌ها و فلزیت‌ها تکرار می‌شود.از: 1983 تحول طیفی کهکشان‌ها، سامانه‌های از نوع آغازین، از برازوئل. منبع

تکامل شیمیایی کهکشانی

انباشت عناصر سنگین در یک کهکشان در گذر زمان، از ورود گاز، تشکیل ستاره، مرگ ستاره و خروج گاز، که به‌صورت دستگاهی از معادله‌های نرخ جفت‌شده نوشته می‌شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: یک کهکشان چگونه آهن و اکسیژنش را اندوخت؟

کنار می‌گذارد: آمیختگی و جریان‌های گاز در چند پارامتر آزاد یکی شده‌اند، پس مدل برازش می‌شود اما پیش‌بینی نمی‌کند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁸ FLOPS تقریبی انتگرال‌گیری ارزان از معادلات نرخ، که روی پارامترها پویش می‌شود.از: 1968 مدل Tinsley از تکامل ستاره‌ها و گاز در کهکشان‌ها. منبع

شکل‌گیری کهکشان نیمه‌تحلیلی

کهکشان‌هایی که با قواعد سادهٔ سرد شدن، ستاره‌زایی و بازخورد روی هاله‌های در حال ادغام یک شبیه‌سازی مادهٔ تاریک نقاشی می‌شوند، تا هر کهکشان با هزینهٔ اندک دنبال شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: هالهٔ مادهٔ تاریک میزبان چند کهکشان از هر اندازه است؟

کنار می‌گذارد: دستورهای تشکیل ستاره و بازخورد تنظیم شده‌اند، نه استخراج.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹³ FLOPS تقریبی قواعدی که بر میلیون‌ها درخت ادغام اعمال می‌شوند، بسیار ارزان‌تر از هیدرودینامیک.از: 1993 شکل‌گیری کهکشان درون هاله‌های ادغام‌شوندهٔ مادهٔ تاریک، از کافمن، وایت و گویدرونی. منبع

شبیه‌سازی مادهٔ تاریک خودبرهم‌کنش

ذرات مادهٔ تاریک که اجازه دارند از هم پراکنده شوند، تا هستهٔ هاله‌ها هموار و شکل اقمار عوض شود، و با مشاهدات کهکشانی آزموده می‌شوند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا ذرات مادهٔ تاریک با هم برخورد می‌کنند، و آیا این هستهٔ کهکشان‌ها را نرم می‌کند؟

کنار می‌گذارد: سطح مقطع یک عدد آزاد است، و بازخورد باریونی می‌تواند همان هسته را تقلید کند یا پنهان کند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁶ FLOPS تقریبی اجراهای N-جسم با گام پراکندگی افزوده.از: 2000 مادهٔ تاریک ضعیفاً خودبرهم‌کنش و ساختار هالهٔ تاریک از Yoshida، Springel، White و Tormen. منبع

شبیه‌سازی کیهان‌شناختی با نوترینوی پرجرم

نوترینوهایی با جرم کوچک که به‌صورت ذره یا شارهٔ شبکه‌ای به یک اجرای شکل‌گیری ساختار افزوده می‌شوند تا اثر بر رشد تار کیهانی اندازه‌گیری شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: جرم نوترینو چقدر رشد ساختارهای کیهانی را کند می‌کند؟

کنار می‌گذارد: نویز گرمایی نوترینوها روش‌های ذره‌ای را پرنویز می‌کند، و جرم خودشان هم ناشناخته است.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁷ FLOPS تقریبی اجراهای بزرگ N-جسم با حجم زیاد و مؤلفهٔ نوترینو.از: 2008 برندبیگ، هانستاد، هاوگبول و تومسن، اثر حرکت گرمایی نوترینو بر طیف توان غیرخطی ماده. منبع

شکل‌گیری ساختار در گرانش اصلاح‌شده

اجراهای N-جسم که در آن‌ها گرانش در مقیاس‌های بزرگ از نسبیت عام فاصله می‌گیرد، با سازوکاری پوششی که آن را نزدیک بازمی‌گرداند، تا کیهان برای نیروهای تازه آزمون شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا تغییر در گرانش ردی در ساختار کیهان می‌گذارد؟

کنار می‌گذارد: هر نظریه حل‌گر ویژهٔ خودش را می‌خواهد، و دنبال کردن دقیق غربال‌گری پرهزینه است.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁷ FLOPS تقریبی اجراهای N-جسم که در هر گام یک معادلهٔ میدان ناخطی اضافی را حل می‌کنند.از: 2008 تکامل ناخطی کیهان‌شناسی‌های f(R)، روش‌شناسی، از اویایزو. منبع

ردیابی پرتو عدسی‌گونی ضعیف در جهان‌های شبیه‌سازی‌شده

پرتوهای نور که در مادهٔ یک شبیه‌سازی بزرگ دنبال می‌شوند تا پیش‌بینی شود شکل کهکشان‌ها چقدر اندک کج می‌شود، تا پیمایش‌ها واسنجی شوند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: شکل کهکشان‌های دور چقدر با ماده‌ای که میانشان است کج می‌شود؟

کنار می‌گذارد: تقریب‌های چندصفحه‌ای و وضوح متناهی ریزترین ساختارهای عدسی‌گری را محو می‌کنند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁶ FLOPS تقریبی ردیابی پرتو در صدها لحظه‌نگار N-جسم.از: 2000 شبیه‌سازی‌های ردیابی پرتوی جین، سلجک و وایت از عدسی‌گری ضعیف توسط ساختار بزرگ‌مقیاس. منبع

تحول شبکهٔ رشته‌های کیهانی

شبکه‌ای از نقص‌های نازک و کشیده که از یک گذار فاز اولیه به جا مانده، تکامل می‌یابد تا دیده شود چند حلقه و رشتهٔ بلند باقی می‌ماند و اثر گرانشی‌شان چگونه خواهد بود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا رشته‌های کیهانی، اگر وجود داشته باشند، به الگویی می‌رسند که بدون مقیاس می‌ماند؟

کنار می‌گذارد: اجراهای نظریهٔ میدان نمی‌توانند به پهنای رشتهٔ واقع‌نما برسند، و رژیم مقیاس‌بندی فقط با برون‌یابی نزدیک می‌شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁴ FLOPS تقریبی شبیه‌سازی‌های نامبو-گوتو یا نظریهٔ میدان در یک جعبهٔ در حال انبساط.از: 1985 تحول رایانه‌ای رشته‌های کیهانی توسط آلبرشت و توروک. منبع

دینامیک میدان شبکه‌ای در جهان نخستین

میدان‌های نرده‌ای روی یک شبکه که تا پایان تورم تحول می‌یابند تا دیده شود انرژی اینفلاتون در یک انفجار تشدیدی خشن چگونه به ذرات منتقل می‌شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: جهان پس از تورم کیهانی چگونه گرم شد؟

کنار می‌گذارد: میدان‌های کلاسیک جای نوسان‌های کوانتومی را می‌گیرند، که فقط وقتی عدد اشغال بزرگ است معتبر است.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹³ FLOPS تقریبی اجراهای میدان شبکه‌ای کلاسیک با تا چند هزار نقطه در هر ضلع.از: 1996 فروپاشی کلاسیک اینفلاتون از خلبنیکف و تکاچف. منبع

انتشار پرتو کیهانی کهکشانی

ذرات باردار ابرنواخترها که با پخش، اتلاف انرژی و واکنش‌های هسته‌ای در کهکشان پرسه می‌زنند، تا پیش‌بینی شود چه به زمین می‌رسد و چه پرتوهای گامایی گسیل می‌کنند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: پرتوهای کیهانی چگونه در کهکشان پخش می‌شوند و چه ردی از خود می‌گذارند؟

کنار می‌گذارد: میدان مغناطیسی و توزیع گاز کهکشان هموار شده‌اند، پس ضریب‌های پخش برازش می‌شوند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی حل عددی یک معادلهٔ انتقال روی شبکه‌ای از پارامترها.از: 1998 انتشار نوکلئون‌های پرتو کیهانی در کهکشان از Strong و Moskalenko. منبع

شبیه‌سازی کیهان‌شناختی مشتق‌پذیر

شبیه‌سازی ذره-مش از رشد ساختار که طوری نوشته شده که گرادیان‌ها از آن عبور کنند، تا شرایط اولیه یا پارامترها مستقیماً با کهکشان‌های مشاهده‌شده برازش شوند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: کدام میدان چگالی آغازین و کیهان‌شناسی کهکشان‌هایی را که واقعاً می‌بینیم بازتولید می‌کنند؟

کنار می‌گذارد: روش سریع ذره-مش در مقیاس‌های کوچک درشت است، پس به ساختارهای بزرگ می‌خورد، نه به درون کهکشان‌ها.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁶ FLOPS تقریبی صدها ساعت GPU برای هر حجم برازش‌شده.از: 2020 FlowPM از مودی و همکارانش، حل‌کنندهٔ کیهان‌شناختی ذره-مش توزیع‌شده روی TensorFlow. منبع

فهرست‌ها و تصویرهای مصنوعی پیمایش آسمان

جهانی ساختگی از کهکشان‌ها، ستاره‌ها و رخدادهای گذرا از شبیه‌سازی‌ها کشیده می‌شود و سپس به تصویر پیکسلی‌ای تبدیل می‌شود که یک تلسکوپ پیمایشی و خط پردازشش ثبت می‌کنند، با نوفه، هم‌پوشانی و اثرهای ابزار.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا نرم‌افزار پیمایش از آسمانی که حقیقتش را می‌دانیم، کیهان‌شناسی درست را بازمی‌یابد؟

کنار می‌گذارد: آسمان ساختگی فقط فیزیک و اثرهای ابزاری‌ای را دارد که نویسندگانش به فکرشان رسیده، پس خطاهای سیستماتیک پیش‌بینی‌نشده پیش‌بینی‌نشده می‌مانند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁷ FLOPS تقریبی ماه‌ها روی چند سهمیهٔ ابررایانه برای تولید فهرست و تصویر.از: 2021 پیمایش آسمان شبیه‌سازی‌شدهٔ DC2 از همکاری علم انرژی تاریک LSST. منبع

شبیه‌سازی برخورد و ادغام کهکشان‌ها

دو کهکشان که دیسک‌هایی از ستاره‌های آزمون در نظر گرفته می‌شوند و زیر گرانش از کنار هم می‌گذرند، تا نشان داده شود دم‌های کشندی، پل‌ها و ادغام‌ها چگونه شکل می‌گیرند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا رشته‌های بلند ستاره که اطراف بعضی کهکشان‌ها دیده می‌شوند از یک مواجههٔ نزدیک گذشته می‌آیند؟

کنار می‌گذارد: نسخه‌های نخست گرانش ستاره‌ها بر یکدیگر و بر گاز را نادیده می‌گیرند، و هر تطبیق با یک جفت واقعی فقط یک تاریخچهٔ ممکن است.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی ساعت تا روز روی یک ایستگاه کاری برای یک ادغام امروزی با وضوح بالا.از: 1972 محاسبات سه‌جسمی محدود Toomre و Toomre از پل‌ها و دُم‌های کهکشانی. منبع

تکامل ستاره‌ای

ستاره‌ای به‌صورت پوسته‌های تودرتوی گاز که از تولد تا کوتولهٔ سفید، ستارهٔ نوترونی یا سیاه‌چاله سوختش را می‌سوزاند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: ستاره‌ای با این جرم چقدر عمر می‌کند و چگونه می‌میرد؟

کنار می‌گذارد: همرفت و چرخش را با دستورهای پارامتری می‌گیرد، نه با حل مستقیم تلاطم.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی یک لپ‌تاپ؛ یک مسیر تکاملی کامل چند دقیقه طول می‌کشد.از: 1955 مدل‌های محاسبه‌شدهٔ اولیهٔ هویل و شوارتسشیلد از ستارگان غول سرخ.

ابرنواخترهای فروپاشی هسته

آخرین ثانیهٔ یک ستارهٔ پرجرم: هسته فرو می‌ریزد، نوترینوها بیرون می‌ریزند و موج ضربه‌ای ستاره را یا از هم می‌پاشد یا می‌ایستد.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: چه سازوکاری انفجار یک ستارهٔ پرجرم را می‌راند؟

کنار می‌گذارد: سازوکاری که موج ضربه‌ای متوقف‌شده را زنده می‌کند هنوز قطعی نیست، و مدل‌ها از ستاره‌ای به ستارهٔ دیگر فرق می‌کنند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁷ FLOPS تقریبی سهم بزرگی از یک ابررایانهٔ ملی، چند ماه.از: 1966 نخستین مدل‌های رایانه‌ای فروپاشی هسته از کولگیت و وایت.

تشکیل ستاره

ابرهای گاز سرد که زیر گرانش به خوشه‌های ستاره فرومی‌پاشند، با آشفتگی و میدان‌های مغناطیسی که مقاومت می‌کنند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: چرا ستاره‌ها با همین گسترهٔ جرم شکل می‌گیرند؟

کنار می‌گذارد: هنوز نمی‌تواند هم یک ابر کامل و هم مقیاس‌های ریزی را که ستاره‌ای واقعاً در آن‌ها شکل می‌گیرد تفکیک کند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁶ FLOPS تقریبی یک خوشهٔ دانشگاهی یا ملی، چند هفته برای یک ابر.از: 1969 نخستین فروپاشی محاسبه‌شدهٔ یک ابر پیش‌ستاره‌ای از لارسون.

نوسان‌های ستاره‌ای

امواج صوتی و گرانشی که درون ستاره می‌پیچند محاسبه می‌شوند تا الگوی سوسوی روشنایی که تلسکوپ می‌بیند پیش‌بینی شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: لرزش یک ستاره دربارهٔ درونش چه می‌گوید؟

کنار می‌گذارد: فقط لایه‌های بیرونی خوب قید شده‌اند. خود هسته هنوز مسئلهٔ استنباط است، نه اندازه‌گیری مستقیم.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی یک لپ‌تاپ؛ یک طیف نوسان کامل چند دقیقه طول می‌کشد.از: 1975 نخستین مدل‌های نوسان محاسبه‌شده که با تپش‌های پنج‌دقیقه‌ای مشاهده‌شدهٔ خورشید مقایسه شدند.

تکامل ستارهٔ دوتایی

دو ستاره که آن‌قدر نزدیک می‌گردند که از هم گاز می‌کشند، جرم عوض می‌کنند، ادغام می‌شوند یا به‌صورت جفتی بسته از بازمانده‌های فشرده پایان می‌یابند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا این جفت ستاره با ادغام پایان می‌یابد، با جفتی که باقی می‌ماند، یا با منبعی از امواج گرانشی؟

کنار می‌گذارد: انتقال جرم میان دو ستاره هنوز با مجموعهٔ کوچکی از دستورهای قابل‌تنظیم نمایش داده می‌شود، نه اینکه از اصول اولیه استخراج شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی یک لپ‌تاپ؛ جمعیتی از دوتایی‌ها در چند دقیقه تکامل می‌یابد.از: 1967 نخستین مدل‌های محاسبه‌شدهٔ انتقال جرم میان ستاره‌های دوتایی نزدیک.

جو و طیف ستاره‌ها

نوری که از لایه‌های بیرونی یک ستاره می‌گریزد، با توجه به دما و ترکیب محاسبه می‌شود تا طیفی که یک تلسکوپ ثبت می‌کند پیش‌بینی شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: این ستاره از چه ساخته شده و سطحش چقدر داغ است؟

کنار می‌گذارد: جوی هموار و آرام را فرض می‌کند، در حالی که لکه‌های ستاره‌ای و سلول‌های همرفت در واقع سطح را زبر می‌کنند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹³ FLOPS تقریبی یک ایستگاه کاری؛ چند ساعت برای هر ستارهٔ مدل‌شده.از: 1967 نخستین جوّهای مدل محاسبه‌شده که با طیف‌های ستاره‌ای اندازه‌گیری‌شده مقایسه شدند.

تحول طعم نوترینو در ابرنواختر

جریان انبوه نوترینوهای خارج‌شده از ستاره‌ای در حال فروپاشی، که در حین پراکنده‌شدن از یکدیگر و تغییر طعم دنبال می‌شود، و بر انفجار و عنصرهای ساخته‌شده اثر می‌گذارد.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: نوترینوها در ازدحام درون یک ابرنواختر چگونه طعم خود را عوض می‌کنند؟

کنار می‌گذارد: کل مسئله بزرگ‌تر از آن است که همراه انفجار حل شود، پس فیزیک طعم در جعبه‌های کوچک و ساده‌شده در نظر گرفته می‌شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁵ FLOPS تقریبی معادلات سینتیکی کوانتومی جفت‌شده در چند بعد.از: 2006 شبیه‌سازی دوان، فولر، کارلسون و چیان از تبدیل غیرخطی و همدوس طعم‌های نوترینو در محیط ابرنواختر. منبع

شبیه‌سازی همرفت سطح ستاره

لایه‌های سطحی جوشان یک ستاره با تابش در سه بعد محاسبه می‌شوند تا دانه‌بندی و شکل خطوط طیفی بازتولید شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: سطح یک ستاره چه شکلی دارد و خطوطش چگونه شکل می‌گیرند؟

کنار می‌گذارد: فقط یک وصلهٔ نازک مدل می‌شود و لایه‌های عمیق زیرش از مدل‌های ستاره‌ای یک‌بعدی تحمیل می‌شوند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁵ FLOPS تقریبی هیدرودینامیک تابشی سه‌بعدی یک لکهٔ سطحی.از: 1998 شبیه‌سازی‌های Stein و Nordlund از دانه‌بندی خورشیدی. منبع

تکامل پوشش مشترک

ستاره‌ای فشرده که درون لایه‌های بیرونی متورم همدمش مارپیچ می‌رود و یا گاز را بیرون می‌ریزد یا با آن ادغام می‌شود؛ با هیدرودینامیک دنبال می‌شود تا معلوم شود کدام دوتایی‌های نزدیک زنده می‌مانند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا ستارهٔ مارپیچ‌رونده پوشش را بیرون می‌اندازد یا با هسته ادغام می‌شود؟

کنار می‌گذارد: اجراها بسیار کوتاه‌تر از رویداد واقعی‌اند و نمی‌توانند گاز را سرد کنند، پس فاصله‌های نهایی نامعلوم می‌مانند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁶ FLOPS تقریبی اجراهای هیدرودینامیکی سه‌بعدی چند مدار.از: 1996 شبیه‌سازی‌های هیدرودینامیکی راسیو و لیویو از سامانه‌های پوشش مشترک. منبع

سنتز جمعیت دوتایی‌ها

میلیون‌ها ستارهٔ دوتایی که با قواعد سریع انتقال جرم، جزر و مد و ضربهٔ ابرنواختر تکامل می‌یابند تا پیش‌بینی شود یک کهکشان چند ادغام، نوا و منبع موج گرانشی دارد.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: یک کهکشان چند دوتایی سیاه‌چاله و ستارهٔ نوترونی می‌سازد؟

کنار می‌گذارد: فرمول‌های برازش سریع جای مدل‌های دقیق ستاره‌ای را می‌گیرند، پس پیامدهای نادر به قواعد فرضی بستگی دارند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی میلیون‌ها دوتایی که با برازش‌های تحلیلی تکامل می‌یابند.از: 2002 تکامل سریع دوتایی‌های ستاره‌ای شامل جزر و مد برای مطالعات جمعیتی، از هرلی، تاوت و پولس. منبع

کولاپسار و جت‌های انفجار پرتو گاما

ستاره‌ای عظیم که به سیاه‌چاله فرومی‌پاشد و جتی را از میان پوشش ستاره‌ای می‌راند؛ با هیدرودینامیک نسبیتی دنبال می‌شود تا معلوم شود آیا انفجاری می‌تواند بگریزد.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا جتی از ستاره‌ای در حال فروپاشی می‌تواند بشکافد و انفجار پرتو گاما بسازد؟

کنار می‌گذارد: پرتاب جت دستی تحمیل می‌شود، چون موتور مرکزی آن‌قدر کوچک و سریع است که با پوشش دنبال نمی‌شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁶ FLOPS تقریبی از هیدرودینامیک نسبیتی محورمتقارن تا سه‌بعدی.از: 1999 شبیه‌سازی‌های کولاپسار مک‌فادین و وزلی از انفجارهای پرتو گاما و انفجارها در ابرنواخترهای ناکام. منبع

شبکه‌های واکنش اخترشیمیایی

صدها واکنش فاز گازی و سطح دانه در یک ابر سرد میان‌ستاره‌ای انتگرال‌گیری می‌شود تا پیش‌بینی شود چه مولکول‌هایی شکل می‌گیرند و با آغاز چگالش ستارگان چگونه تهی می‌شوند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: در یک ابر سرد چه مولکول‌هایی شکل می‌گیرند، و با چه سرعتی؟

کنار می‌گذارد: بسیاری از ضرایب نرخ فقط در دمای اتاق اندازه‌گیری شده‌اند یا حدس زده می‌شوند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁸ FLOPS تقریبی معادله‌های نرخ سخت برای هزاران گونه، با هزینهٔ اندک برای هر ابر.از: 1973 مدل هربست و کلمپرر از تشکیل و تخلیهٔ مولکول‌ها در ابرهای متراکم میان‌ستاره‌ای. منبع

آشفتگی مغناطیده میان‌ستاره‌ای

گازی فشردنی و مغناطیده که در جعبه‌ای تناوبی به هم زده می‌شود تا معلوم شود تلاطم چه‌قدر سریع انرژی از دست می‌دهد؛ همین، سرعت فروپاشی ابرها به ستاره را تعیین می‌کند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آشفتگی در گاز میان‌ستاره‌ای با چه سرعتی فروکش می‌کند؟

کنار می‌گذارد: اتلاف عددی جای فیزیک واقعی مقیاس کوچک را می‌گیرد و جعبه دیوار یا گرانش ندارد.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁵ FLOPS تقریبی اجراهای MHD سه‌بعدی با تفکیک بالا.از: 1998 اتلاف در تلاطم مغناطوهیدرودینامیکی تراکم‌پذیر از Stone، Ostriker و Gammie. منبع

شکل‌گیری سیاره

غبار در قرص اطراف ستاره‌ای جوان که به سنگریزه، سیاره‌زاد و سرانجام سیاره می‌چسبد.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: یک قرص غبار چگونه به منظومهٔ شمسی تبدیل می‌شود؟

کنار می‌گذارد: گام از سنگریزه تا سیاره‌ریزه، با پهنای کیلومترها، هنوز بیشتر فرض شده تا استخراج.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁵ FLOPS تقریبی یک خوشهٔ دانشگاهی، چند روز تا چند هفته برای یک قرص.از: 1978 نخستین اجراهای عددی گرینبرگ و همکارانش برای انباشت سیاره‌زادها.

دینامیک مداری

سیاره‌هایی که میلیاردها سال یکدیگر را می‌کشند، و سیارک‌ها و دنباله‌دارهایی که از میانشان می‌گذرند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا منظومهٔ شمسی پایدار است و آیا این سیارک به چیزی می‌خورد؟

کنار می‌گذارد: آشوب یعنی یک خطای گردکردن ناچیز می‌تواند پس از زمانی کافی پاسخ را برگرداند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹³ FLOPS تقریبی یک رایانهٔ رومیزی؛ میلیاردها سال در چند روز جا می‌گیرد.از: 1988 اوررای دیجیتال Sussman و Wisdom در مدار پلوتو آشوب یافت.

مدل تعاملی را اجرا کنید

جو سیاره‌ها و سیاره‌های فراخورشیدی

مدل‌های اقلیمی که با جهان‌های دیگر سازگار شده‌اند: گازها، گرانش، چرخش و نور ستاره‌ای متفاوت.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا آب مایع می‌تواند روی سطح این سیاره دوام بیاورد؟

کنار می‌گذارد: پارامتری‌سازی‌های ابر و شیمی واسنجی‌شده با زمین را به جوّهایی اعمال می‌کند که ممکن است رفتاری بسیار متفاوت داشته باشند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁵ FLOPS تقریبی یک خوشهٔ دانشگاهی، چند روز برای هر سال سیاره‌ای شبیه‌سازی‌شده.از: 1969 نخستین مدل گردش عمومی مریخ از لئوی و مینتز.

درون سیاره‌ها و دینامو

سنگ یا فلز داغ و همرفتی در اعماق یک سیاره، که مدل می‌شود تا دیده شود آیا میدان مغناطیسی می‌سازد و گرما چگونه به سطح می‌گریزد.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: چرا این سیاره میدان مغناطیسی دارد، و سیاره‌ای دیگر با اندازهٔ مشابه ندارد؟

کنار می‌گذارد: در گرانروی و نرخ چرخشی بسیار ملایم‌تر از هستهٔ یک سیاره واقعی اجرا می‌شود، و سپس با فرض بزرگ‌تر می‌شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁶ FLOPS تقریبی یک خوشهٔ ملی، چند هفته برای یک مدل درونی.از: 1995 نخستین مدل‌های رایانه‌ای سه‌بعدی ژئودینامو که میدان زمین را پدید می‌آورد.

گودال‌های برخوردی

سیارک یا دنباله‌داری که به سیاره‌ای برخورد می‌کند، از موج ضربه‌ای در زمین تا دهانه، آوار و اثرهای اقلیمی بر جا مانده مدل می‌شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: این برخوردکننده چه گودالی و چقدر خسارت می‌سازد؟

کنار می‌گذارد: استحکام و ساختار درونی برخوردکننده معمولاً فقط از اندازه و سرعتش استنباط می‌شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁴ FLOPS تقریبی ایستگاه کاری یا خوشهٔ کوچک، چند ساعت برای هر سناریوی برخورد.از: 1980 نخستین شبیه‌سازی‌های هیدروکد دهانهٔ برخورد، که فرضیهٔ انقراض دایناسورها انگیزهٔ آن‌ها بود.

شناسایی و توصیف سیارات فراخورشیدی

کم‌نور شدن یا لرزشی که یک سیاره در نور ستاره‌اش پدید می‌آورد محاسبه می‌شود تا با داده‌های واقعی تلسکوپ مقایسه و اندازه و مدارش بیرون کشیده شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا آن افت روشنایی واقعاً یک سیاره است و اگر هست چقدر بزرگ است؟

کنار می‌گذارد: لکه‌های ستاره‌ای و لرزش ستاره‌ای می‌توانند سیگنال یک سیاره را آن‌قدر نزدیک تقلید کنند که جستجوی خودکار فریب بخورد.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹³ FLOPS تقریبی یک ایستگاه کاری؛ چند دقیقه تا چند ساعت برای هر سیگنال نامزد.از: 1984 نخستین مدل‌های منحنی نور محاسبه‌شده که برای برنامه‌ریزی نخستین جست‌وجوهای فراخورشیدی به کار رفتند.

شبیه‌سازی‌های برخورد غول‌آسا

هیدرودینامیک ذره‌های هموار از برخورد دو جرم به اندازهٔ سیاره، با ردگیری مذاب و آواری که ممکن است به یک ماه تبدیل شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا برخورد میان سیاره‌های جوان می‌توانست ماه را پدید آورد؟

کنار می‌گذارد: نتایج به معادلهٔ حالت و اسپین و زاویهٔ اولیهٔ فرض‌شده بستگی دارند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁷ FLOPS تقریبی میلیون‌ها ذرهٔ SPH با معادلات حالت واقع‌نمااز: 2001 Origin of the Moon in a giant impact near the end of Earth's formation (2001) منبع

ترکیب جمعیت سیاره‌ها

مدل‌های نیمه‌تحلیلی سریع شکل‌گیری سیاره برای هزاران منظومهٔ شبیه‌سازی‌شده اجرا می‌شوند تا جمعیتی آماری بسازند که با پیمایش‌های فراخورشیدی مقایسه می‌شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: یک نظریهٔ شکل‌گیری چه ترکیبی از جرم و مدار سیاره‌ها را پیش‌بینی می‌کند؟

کنار می‌گذارد: هر سامانه مدلی ساده‌شدهٔ یک‌بعدی است، نه اجرای کامل هیدرودینامیکی.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁴ FLOPS تقریبی هزاران اجرای ارزان دیسک یک‌بعدیاز: 2004 Toward a deterministic model of planetary formation I (2004) منبع

بازیابی جو فراخورشیدی

جو مدلی که هزاران بار در برابر طیف عبوری یا گسیلی اجرا می‌شود تا دما و فراوانی مولکول‌ها برآورد شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: هوای یک سیارهٔ دور از چه ساخته شده است؟

کنار می‌گذارد: مدل‌های یک‌بعدی با داده‌هایی با کیفیت محدود برازش می‌شوند، پس جواب‌های تبهگن رایج‌اند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹² FLOPS تقریبی میلیون‌ها ارزیابی طیف در یک نمونه‌گیر بیزی.از: 2009 روش بازیابی دما و فراوانی مدهوسودان و سیگر برای جو سیاره‌های فراخورشیدی. منبع

مدل‌سازی اقلیم منطقهٔ قابل سکونت

مدل اقلیمی یک‌بعدی از سیاره‌ای سنگی در فاصله‌های مختلف از ستاره‌اش، که نور ستاره، گازهای گلخانه‌ای و ابرها را متعادل می‌کند تا معلوم شود آب مایع کجا می‌تواند دوام بیاورد.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: یک سیاره تا چه فاصله از ستاره‌اش می‌تواند باشد و آب مایع داشته باشد؟

کنار می‌گذارد: یک ستون نمی‌تواند ابر یا تضاد شب و روز را نشان دهد، پس لبه‌های ناحیه با مدل‌های سه‌بعدی جابه‌جا می‌شوند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10⁶ FLOPS تقریبی یک ستون تابشی-همرفتی یک‌بعدی، آن‌قدر سبک که برای لپ‌تاپ کافی است.از: 1993 نواحی قابل سکونت پیرامون ستارگان رشتهٔ اصلی، از کستینگ، ویتمیر و رینولدز. منبع

شکل‌گیری سیاره‌زاد با ناپایداری جریانی

دانه‌های غبار در قرص گازی که به نخستین اجرام کیلومتری توده می‌شوند، با ذرات و گاز شبیه‌سازی می‌شود تا دیده شود آیا آشفتگی می‌تواند آن‌ها را برای فروپاشی به‌اندازهٔ کافی متمرکز کند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: سنگریزه‌ها چگونه به نخستین بلوک‌های سازندهٔ سیاره‌ها گلوله می‌شوند؟

کنار می‌گذارد: جعبه‌های کوچک بخشی از قرص را می‌پوشانند و اندازهٔ ذره‌ها در بازهٔ باریکی است.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁶ FLOPS تقریبی اجراهای جعبهٔ محلی سه‌بعدی با صدها میلیون ذره.از: 2007 شکل‌گیری سریع سیاره‌زادها در قرص‌های آشفتهٔ دور ستاره، از یوهانسن و همکارانش. منبع

برهم‌کنش سیاره-قرص و مهاجرت

سیاره‌ای که درون قرص گازی‌ای که از آن شکل گرفته نشسته است و دنباله‌ای مارپیچی می‌کشد که آن را به درون یا بیرون می‌کشاند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: چرا سیاره‌ها از جایی که شکل گرفته‌اند جابه‌جا می‌شوند؟

کنار می‌گذارد: نرخ مهاجرت به ترمودینامیک و گرانروی قرص حساس است، که کم شناخته‌اند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁴ FLOPS تقریبی اجراهای هیدرودینامیکی قرص برای هزاران مدار.از: 2000 شبیه‌سازی‌های هیدرودینامیکی کلی از مهاجرت یک منظومهٔ پیش‌سیاره‌ها. منبع

ادغام سیاه‌چاله‌ها

معادلات اینشتین مستقیم حل می‌شوند در حالی که دو سیاه‌چاله مارپیچ‌وار به هم نزدیک می‌شوند و سیگنال موج گرانشی‌ای می‌دهند که آشکارسازها به آن گوش می‌دهند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: از دو سیاه‌چاله با این جرم‌ها باید چه شکل‌موجی ببینیم؟

کنار می‌گذارد: آخرین کسر ثانیه پیش از ادغام هنوز تقریب‌هایی می‌خواهد که هیچ رایانه‌ای کاملاً تفکیک نمی‌کند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10^16.5 FLOPS تقریبی یک خوشهٔ بزرگ، چند هفته برای یک شکل موج.از: 1964 نخستین برخورد رودررو و محاسبه‌شدهٔ دو سیاه‌چاله، از هان و لیندکوئیست.

قرص‌های برافزایشی و جت‌ها

گاز مغناطیده‌ای که مارپیچ‌وار به یک سیاه‌چاله می‌ریزد، داغ می‌شود و جت‌هایی پرتاب می‌کند که هزاران سال نوری امتداد می‌یابند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: یک سیاه‌چاله چگونه از کهکشان پیرامونش درخشان‌تر می‌شود؟

کنار می‌گذارد: نمی‌تواند قرص را تا مقیاس خود سیاه‌چاله و کهکشان گسترده‌تر هم‌زمان دنبال کند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁶ FLOPS تقریبی یک خوشهٔ بزرگ، چند هفته برای یک اجرای دیسک جهانی.از: 1991 شبیه‌سازی‌های بالبوس و هاولی که ناپایداری مغناطیسی-چرخشی را آشکار کردند.

هواشناسی فضا

باد خورشیدی و فوران‌های خورشید که به میدان مغناطیسی زمین می‌خورند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا این توفان خورشیدی به ماهواره‌ها یا شبکه‌های برق آسیب می‌زند، و کی می‌رسد؟

کنار می‌گذارد: زمان رسیدن یک فوران را با دقتی متوسط و شدتش را با دقتی بسیار کمتر پیش‌بینی می‌کند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁵ FLOPS تقریبی خوشهٔ یک مرکز ملی پیش‌بینی، که چند بار در روز اجرا می‌شود.از: 1978 نخستین شبیه‌سازی‌های جهانی MHD برخورد باد خورشیدی با میدان زمین.

ادغام ستارگان نوترونی

دو ستارهٔ نوترونی که مارپیچی به هم نزدیک می‌شوند و برخورد می‌کنند، هم‌زمان با معادله‌های اینشتین و فیزیک هسته‌ای دنبال می‌شوند تا معلوم شود چه آوار و نوری بیرون پرتاب می‌شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا این ادغام سیاه‌چاله می‌سازد، و آیا عناصر سنگینی را که روی زمین یافت می‌شوند می‌آفریند؟

کنار می‌گذارد: فیزیک هسته‌ای ماده‌ای به این چگالی هنوز کاملاً دانسته نیست، پس ترکیب آوار عدم‌قطعیتی واقعی دارد.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁷ FLOPS تقریبی سهم بزرگی از یک ابررایانهٔ ملی، چند هفته.از: 1990 نخستین شبیه‌سازی‌های هیدرودینامیک نسبیتی برخورد ستاره‌های نوترونی.

مغناطوسپهر تپ‌اختر

میدان مغناطیسی و پلاسمای چرخان پیرامون یک ستارهٔ نوترونی در حال چرخش محاسبه می‌شود تا معلوم شود چگونه امواج رادیویی و ذره‌های پرانرژی را به فضا می‌تاباند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: چرا باریکهٔ یک تپ‌اختر به‌طور دوره‌ای خط دید را جارو می‌کند، و چه چیزی شکلش را تعیین می‌کند؟

کنار می‌گذارد: پلاسما درست در سطح ستاره، جایی که باریکه واقعاً شکل می‌گیرد، هنوز از نظر فیزیکی ضعیف فهمیده می‌شود.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁵ FLOPS تقریبی یک خوشهٔ دانشگاهی، چند روز برای هر مدل مگنتوسفر.از: 1999 نخستین شبیه‌سازی‌های جهانی میدان مغناطیسی چرخان یک تپ‌اختر.

درون خورشید و دینامو

پلاسمای داغی که درون خورشید همرفت و چرخش می‌کند و مدل می‌شود تا دیده شود میدان مغناطیسی را چگونه به چرخهٔ یازده‌سالهٔ لکه‌های خورشیدی می‌پیچاند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: چرا فعالیت مغناطیسی خورشید با چرخهٔ یازده‌ساله بالا و پایین می‌رود؟

کنار می‌گذارد: هنوز نمی‌تواند دوره و دامنهٔ چرخه را بدون تنظیم مدل به سوی مقادیر مشاهده‌شده به‌طور قابل‌اعتماد بازتولید کند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁶ FLOPS تقریبی یک خوشهٔ ملی، چند هفته برای یک چرخهٔ شبیه‌سازی‌شده.از: 1983 نخستین شبیه‌سازی‌های همرفت سه‌بعدی درون خورشید.

بانک‌های الگوی موج گرانشی از نسبیت عددی

صدها تا هزاران ادغام شبیه‌سازی‌شدهٔ سیاه‌چاله که نسبت‌های جرم و اسپین‌ها را پوشش می‌دهند و در مدل‌های شکل موج واسنجی می‌شوند که آشکارسازها با داده می‌سنجند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: سیگنال هر ادغام سیاه‌چاله چه شکلی دارد؟

کنار می‌گذارد: فهرست‌ها در فضای پارامتر تُنک‌اند، پس مدل‌های شکل موج میان آن‌ها برازش‌اند، نه شبیه‌سازی.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁷ FLOPS تقریبی هزاران اجرای ادغام، هرکدام هفته‌ها روی یک خوشه.از: 2013 فهرست 174 شبیه‌سازی دوتایی سیاه‌چاله از مرو و همکارانش برای نجوم موج گرانشی. منبع

چالش‌های داده‌های مصنوعی موج گرانشی

داده‌های آشکارساز شبیه‌سازی‌شده با منابع تزریق‌شدهٔ بسیار و نویز واقع‌نما، که برای آزمودن اینکه آیا خط لوله‌های تحلیل می‌توانند سیگنال‌های اخترفیزیکی پنهان درونش را بازیابند به کار می‌رود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا خط لولهٔ تحلیل می‌تواند هر منبع دفن‌شده در نوفه را بیابد و اندازه بگیرد؟

کنار می‌گذارد: نویز آرمانی است و جمعیت منبع تزریق‌شده فرض شده است، پس پیچیدگی‌های دادهٔ واقعی غایب‌اند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁴ FLOPS تقریبی جریان‌های داده طولانی بسیار با هزاران منبع همپوشان.از: 2006 Mock LISA Data Challenges، نخستین آزمون‌های کور اجتماعی برای تحلیل امواج گرانشی فضایی. منبع

شبیه‌سازی مغناطوسپهر و شراره مگنتار

میدان مغناطیسی پیچ‌خوردهٔ بیرون یک مگنتار، ستارهٔ نوترونی با قوی‌ترین میدان‌های شناخته‌شده، دنبال می‌شود که تنش می‌اندوزد، دوباره وصل می‌شود و شراره آزاد می‌کند.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: میدان پیچ‌خوردهٔ یک ستارهٔ نوترونی چگونه انرژی را در یک شراره بیرون می‌ریزد؟

کنار می‌گذارد: فیزیک بی‌نیرو لختی پلاسما و تولید جفت را که شعله‌های واقعی را می‌راند فراموش می‌کند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁶ FLOPS تقریبی اجراهای نسبیتی عاری از نیرو روی یک خوشه.از: 2012 شبیه‌سازی پارفری، بلوبورودف و هویی از مغناطوسپهرهای مگنتار که می‌پیچند و دوباره وصل می‌شوند. منبع

رندر سایه و تصویر سیاه‌چاله

پرتوهای نور که در فضازمان خمیدهٔ پیرامون یک سیاه‌چاله و گاز داغش دنبال می‌شوند تا تصویر حلقه‌ای‌شکلی که یک تلسکوپ می‌بیند پیش‌بینی شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: گاز درخشان اطراف یک سیاه‌چاله از زمین چه شکلی دارد؟

کنار می‌گذارد: مدل گاز یک حدس پس‌پردازشی است، پس تصویر به دمای الکترونی و میدان مغناطیسی فرض‌شده بستگی دارد.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁵ FLOPS تقریبی ردیابی پرتو در هزاران لحظه‌نگار شبیه‌سازی برافزایش.از: 2000 تصویر شبیه‌سازی‌شدهٔ فالکه، ملیا و آگول از سایهٔ سیاه‌چاله در مرکز کهکشان. منبع

تکه‌تکه‌شدن کشندی ستاره‌ها توسط سیاه‌چاله‌ها

ستاره‌ای که سیاه‌چاله‌ای عظیم از هم می‌کشدش و باقی‌مانده‌اش به رشته‌ای کشیده می‌شود که برمی‌گردد و می‌درخشد؛ با هیدرودینامیک دنبال می‌شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: چقدر از یک ستارهٔ تکه‌تکه‌شده به سیاه‌چاله می‌افتد و شراره چقدر روشن است؟

کنار می‌گذارد: تابشی که شراره را دیدنی می‌کند فقط تقریب زده می‌شود، پس منحنی نور استنباط می‌شود، نه از ابتدا تا انتها شبیه‌سازی.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁶ FLOPS تقریبی اجراهای ذره‌ای هموار یا شبکه‌ای با رویکرد نسبیت عام.از: 1989 شبیه‌سازی هیدرودینامیکی ایوانز و کوچانک از گسیختگی کشندی یک ستاره توسط سیاه‌چاله‌ای عظیم. منبع

انتقال تابش کیلونووا

ابر درخشان آوار عنصرهای سنگین از ادغام ستاره‌های نوترونی، با گرمایش رادیواکتیو و انتقال تابش مدل می‌شود تا نور و رنگش پیش‌بینی شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: پس‌تاب ادغام ستارگان نوترونی چقدر روشن و چقدر سرخ است؟

کنار می‌گذارد: کدری سنگین‌ترین عنصرها بر داده‌های اتمی ناقص تکیه دارد و بر عدم‌قطعیت رنگ پیش‌بینی‌شده غالب است.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁴ FLOPS تقریبی انتقال تابش مونت‌کارلوی چندبعدی با داده‌های کدری اتمی.از: 2010 مدل متزگر و همکارانش از همتاهای الکترومغناطیسی نیروگرفته از واپاشی پرتوزای فرایند r. منبع

مدل‌سازی کمربند تابشی

الکترون‌ها و پروتون‌های پرانرژی که در میدان مغناطیسی پیرامون یک سیاره به دام افتاده‌اند و با پخش، تزریق و اتلاف جابه‌جا می‌شوند تا خطر برای ماهواره‌ها پیش‌بینی شود.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: چرا کمربندهای تابش به‌دام‌افتاده در توفان‌های مغناطیسی باد می‌کنند و تخلیه می‌شوند؟

کنار می‌گذارد: نرخ‌های پخش موج-ذره از اندازه‌گیری‌های محدود پارامتری شده‌اند، که منبع اصلی خطاست.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹³ FLOPS تقریبی اجراهای پخش سه‌بعدی روی بازه‌های طوفان.از: 1995 مدل سه‌بعدی بوتیه و بوشر از کمربند تابش الکترونی. منبع

استنتاج عصبی برای امواج گرانشی

شبکهٔ عصبی روی میلیون‌ها سیگنال ادغام شبیه‌سازی‌شده در نوفهٔ آشکارساز مصنوعی آموزش می‌بیند تا بتواند جرم‌ها، اسپین‌ها و فاصلهٔ محتمل یک رویداد تازه را تقریباً فوری بدهد.

پرسشی که پاسخ می‌دهد: آیا می‌توان ویژگی‌های ادغام سیاه‌چاله‌ها را در چند ثانیه استنباط کرد، آن‌قدر زود که بتوان تلسکوپ‌ها را به سویش نشانه گرفت؟

کنار می‌گذارد: فقط به اندازهٔ مدل شکل موج و نویزی خوب است که روی آن آموزش دیده، و سیگنال‌های غیرعادی می‌توانند بیرون از آنچه آموخته بیفتند.

اجرا می‌شود روی: حدود 10¹⁷ FLOPS تقریبی هفته‌ها آموزش GPU روی شکل‌موج‌های شبیه‌سازی‌شده.از: 2021 برآورد پسین عصبی برای رویدادهای موج گرانشی از داکس و همکارانش. منبع