Astronomi dan kosmologi

N-benda kosmologis

Materi gelap sebagai miliaran partikel, tumbuh di bawah gravitasi dari alam semesta awal yang nyaris seragam menjadi jaring kosmik berupa filamen, dinding, dan kekosongan.

Pertanyaan yang dijawabnya: Apakah model alam semesta kita menumbuhkan struktur berskala besar yang sama dengan yang dilihat teleskop?

Mengabaikan: Satu partikel mewakili sejuta matahari, sehingga tak ada yang lebih kecil dari galaksi yang benar-benar ada.

Berjalan di: sekitar 10^17.5 FLOPS kasar sebagian besar superkomputer nasional, selama berminggu-minggu.Sejak: 1970 Model 300 titik Peebles tentang pembentukan gugus galaksi, salah satu yang paling awal; simulasi N-benda gugus bintang dimulai oleh von Hoerner pada 1960

Pembentukan galaksi

Pendinginan gas, pembentukan bintang dan ledakan supernova, serta akresi lubang hitam yang menggerakkan aliran keluar, semuanya berlapis di atas jaring materi gelap.

Pertanyaan yang dijawabnya: Mengapa galaksi hadir dalam bentuk dan ukuran seperti yang ada?

Mengabaikan: Pembentukan bintang dan umpan balik lubang hitam diwakili oleh resep sub-grid yang bisa disetel, bukan diturunkan dari prinsip dasar.

Berjalan di: sekitar 10¹⁷ FLOPS kasar porsi besar superkomputer nasional, berminggu-minggu waktu komputasi.Sejak: 1992 simulasi gabungan gravitasi-plus-gas awal untuk galaksi yang terbentuk.

Nukleosintesis Dentuman Besar

Dua puluh menit pertama, ketika alam semesta menjadi reaktor nuklir yang membuat hidrogen, helium, dan sedikit litium.

Pertanyaan yang dijawabnya: Apakah rasio unsur yang diprediksi cocok dengan gas tertua yang bisa kita ukur?

Mengabaikan: Mengasumsikan alam semesta awal sepenuhnya homogen, padahal ia memuat ketakhomogenan kecil.

Berjalan di: sekitar 10¹² FLOPS kasar laptop; seluruh perhitungan memakan waktu beberapa detik.Sejak: 1967 Kelimpahan unsur ringan pertama yang dihitung oleh Wagoner, Fowler, dan Hoyle.

Latar gelombang mikro kosmik

Riak dalam plasma panas alam semesta muda, dievolusikan sampai cahaya dilepaskan 380.000 tahun setelah Dentuman Besar.

Pertanyaan yang dijawabnya: Parameter kosmologis apa yang menghasilkan pola bintik panas dan dingin yang kita amati?

Mengabaikan: Mengasumsikan model kosmologi standar benar dan hanya menyesuaikan sekumpulan kecil parameternya.

Berjalan di: sekitar 10¹³ FLOPS kasar workstation desktop; beberapa menit per set parameter.Sejak: 1996 Kode Boltzmann cepat Seljak dan Zaldarriaga untuk langit gelombang mikro.

Reionisasi kosmik

Cahaya ultraviolet dari bintang dan galaksi pertama menyebar melalui dan mengionisasi hidrogen netral yang mengisi alam semesta awal.

Pertanyaan yang dijawabnya: Apa yang mengionisasi ulang alam semesta setelah zaman gelap kosmik?

Mengabaikan: Sumber-sumber redup dan jauh yang melakukan sebagian besar ionisasi masih di bawah apa yang bisa dilihat langsung teleskop mana pun, sehingga jumlahnya diekstrapolasi.

Berjalan di: sekitar 10¹⁷ FLOPS kasar sebagian besar superkomputer nasional, selama berminggu-minggu.Sejak: 1999 simulasi transfer radiatif awal untuk gelembung terionisasi pertama.

Medium antargalaksi dan hutan Lyman-alfa

Gas tipis yang membentang di antara galaksi, diikuti perkembangannya di bawah gravitasi dan pemanasan sampai pola serapannya cocok dengan hutan garis yang berkelip dalam spektrum kuasar yang jauh.

Pertanyaan yang dijawabnya: Berapa banyak materi biasa di luar sana dalam gas di antara galaksi, dan seberapa panasnya?

Mengabaikan: Bergantung pada asumsi tentang bagaimana cahaya ultraviolet dari galaksi memanaskan gas, yang tidak teramati langsung.

Berjalan di: sekitar 10¹⁶ FLOPS kasar klaster universitas atau nasional, berminggu-minggu per volume tersimulasi.Sejak: 1994 simulasi hidrodinamika awal yang mereproduksi hutan Lyman-alpha.

Simulasi materi gelap gelombang

Perkembangan alam semesta disimulasikan dengan materi gelap diperlakukan sebagai gelombang kuantum koheren yang patuh pada persamaan Schrodinger dan Poisson, bukan sebagai partikel klasik.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seperti apa struktur kosmik jika materi gelap adalah gelombang ultraringan?

Mengabaikan: Syarat resolusi gelombang membuat volume besar sulit ditangani, dan barion kebanyakan diabaikan.

Berjalan di: sekitar 10¹⁹ FLOPS kasar Simulasi gelombang jaring adaptif besarSejak: 2014 Cosmic structure as the quantum interference of a coherent dark wave (2014) sumber

Simulasi terkendala atas alam semesta lokal

Simulasi kosmologis yang kondisi awalnya disetel agar volume yang berevolusi mereproduksi tetangga galaksi kita yang teramati, termasuk gugus-gugus terdekat.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bisakah kita mensimulasikan struktur sebenarnya di sekitar Bima Sakti, bukan sepetak alam semesta yang tipikal?

Mengabaikan: Kendala berasal dari data jarak yang berderau, sehingga kecocokannya bersifat statistik, bukan persis.

Berjalan di: sekitar 10¹⁹ FLOPS kasar Simulasi N-benda atau hidrodinamika besar dari kondisi awal terkendalaSejak: 2010 Constrained Local UniversE Simulations (CLUES) (2010) sumber

Emulator kosmologis

Sekumpulan kecil simulasi kosmologis yang mahal dipakai untuk melatih interpolator cepat yang memprediksi statistik seperti spektrum daya materi untuk nilai parameter di dekatnya.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bisakah kita memprediksi struktur untuk ribuan pilihan parameter hanya dari beberapa lusin simulasi?

Mengabaikan: Ia hanya mencakup rentang parameter dan statistik tempat ia dilatih.

Berjalan di: sekitar 10¹⁸ FLOPS kasar Rancangan puluhan simulasi N-benda, lalu prediksi yang nyaris gratisSejak: 2010 The Coyote Universe III: simulation suite and precision emulator (2010) sumber

Sintesis populasi bintang

Cahaya gabungan dari banyak generasi bintang dijumlahkan dari lintasan evolusi bintang dan spektrum, untuk membaca usia, massa, dan riwayat pembentukan bintang dari warna sebuah galaksi.

Pertanyaan yang dijawabnya: Campuran bintang seperti apa yang memberi sebuah galaksi warnanya?

Mengabaikan: Lintasan bintang dan pustaka spektrum membawa ketidakpastiannya sendiri, misalnya untuk tahap akhir evolusi.

Berjalan di: sekitar 10⁹ FLOPS kasar sintesis spektrum murah, diulang di seluruh kisi usia dan metalisitas.Sejak: 1983 Evolusi spektral galaksi oleh Bruzual, sistem tipe awal. sumber

Evolusi kimia galaksi

Penumpukan unsur berat di sebuah galaksi dari waktu ke waktu, dari aliran gas masuk, pembentukan bintang, kematian bintang, dan aliran gas keluar, ditulis sebagai sekumpulan persamaan laju yang berpasangan.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana sebuah galaksi mengumpulkan besi dan oksigennya?

Mengabaikan: Pencampuran dan aliran gas digabung menjadi beberapa parameter bebas, sehingga model cocok tetapi tidak memprediksi.

Berjalan di: sekitar 10⁸ FLOPS kasar integrasi persamaan laju yang murah, dipindai di berbagai parameter.Sejak: 1968 Model Tinsley tentang evolusi bintang dan gas dalam galaksi. sumber

Pembentukan galaksi semianalitik

Galaksi dilukis pada halo yang menyatu dalam simulasi materi gelap dengan aturan sederhana untuk pendinginan, pembentukan bintang, dan umpan balik, melacak setiap galaksi dengan biaya rendah.

Pertanyaan yang dijawabnya: Berapa banyak galaksi dari tiap ukuran yang dihuni halo materi gelap?

Mengabaikan: Resep pembentukan bintang dan umpan balik disetel, bukan diturunkan.

Berjalan di: sekitar 10¹³ FLOPS kasar aturan yang diterapkan pada jutaan pohon penggabungan, jauh lebih murah daripada hidrodinamika.Sejak: 1993 Pembentukan galaksi dalam halo materi gelap yang bergabung oleh Kauffmann, White, dan Guiderdoni. sumber

Simulasi materi gelap berinteraksi sendiri

Partikel materi gelap yang dibiarkan saling menghambur, sehingga inti halo menjadi datar dan satelit berubah bentuk, diuji terhadap pengamatan galaksi.

Pertanyaan yang dijawabnya: Apakah partikel materi gelap bertumbukan, dan apakah itu melunakkan inti galaksi?

Mengabaikan: Penampang lintangnya adalah angka bebas, dan umpan balik barionik bisa meniru atau menyembunyikan inti yang sama.

Berjalan di: sekitar 10¹⁶ FLOPS kasar Simulasi N-benda dengan langkah hamburan ditambahkan.Sejak: 2000 Materi gelap berinteraksi sendiri secara lemah dan struktur halo gelap oleh Yoshida, Springel, White, dan Tormen. sumber

Simulasi kosmologi neutrino bermassa besar

Neutrino bermassa kecil ditambahkan ke simulasi pembentukan struktur sebagai partikel atau fluida pada kisi, sehingga efek pada pertumbuhan jaring kosmik bisa diukur.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa besar massa neutrino memperlambat pertumbuhan struktur kosmik?

Mengabaikan: Derau termal dari neutrino membuat skema partikel berderau, dan massanya sendiri belum diketahui.

Berjalan di: sekitar 10¹⁷ FLOPS kasar simulasi N-benda volume besar dengan komponen neutrino tambahan.Sejak: 2008 Pengaruh gerak termal neutrino pada spektrum daya materi nonlinier oleh Brandbyge, Hannestad, Haugboelle, dan Thomsen. sumber

Pembentukan struktur gravitasi termodifikasi

Simulasi N-benda dengan gravitasi menyimpang dari relativitas umum pada skala besar, dengan mekanisme penyaringan yang memulihkannya di dekat, sehingga kosmos bisa diuji untuk gaya baru.

Pertanyaan yang dijawabnya: Akankah perubahan pada gravitasi meninggalkan jejak dalam struktur kosmik?

Mengabaikan: Setiap teori membutuhkan pemecah yang disesuaikan sendiri, dan penyaringan mahal untuk diikuti secara akurat.

Berjalan di: sekitar 10¹⁷ FLOPS kasar Simulasi N-benda yang menyelesaikan persamaan medan nonlinier tambahan pada setiap langkah.Sejak: 2008 Evolusi nonlinier kosmologi f(R) oleh Oyaizu, metodologi. sumber

Penelusuran sinar lensa lemah melalui alam semesta simulasi

Sinar cahaya dilacak melalui materi dalam simulasi besar untuk meramalkan bagaimana bentuk galaksi terdistorsi secara halus, sehingga survei bisa dikalibrasi.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa besar bentuk galaksi jauh terpuntir oleh materi di antaranya?

Mengabaikan: Pendekatan bidang jamak dan resolusi terbatas mengaburkan struktur pelensaan terkecil.

Berjalan di: sekitar 10¹⁶ FLOPS kasar penelusuran sinar melalui ratusan potret N-benda.Sejak: 2000 Simulasi penelusuran sinar Jain, Seljak, dan White tentang pelensaan lemah oleh struktur skala besar. sumber

Evolusi jaringan untai kosmik

Jaringan cacat tipis yang meregang sisa dari transisi fase awal, dievolusikan untuk melihat berapa banyak lingkaran dan untaian panjang yang bertahan dan bagaimana gravitasinya.

Pertanyaan yang dijawabnya: Apakah untai kosmik, jika ada, mengendap menjadi pola yang tetap bebas skala?

Mengabaikan: Simulasi teori medan tidak bisa mencapai lebar untai yang realistis, dan rezim penskalaan hanya didekati lewat ekstrapolasi.

Berjalan di: sekitar 10¹⁴ FLOPS kasar Simulasi Nambu-Goto atau teori medan dalam kotak yang memuai.Sejak: 1985 Evolusi untai kosmik yang dihitung oleh Albrecht dan Turok. sumber

Dinamika medan kisi alam semesta awal

Medan skalar pada kisi dievolusikan sampai akhir inflasi untuk melihat bagaimana energi inflaton diteruskan ke partikel dalam semburan resonan yang dahsyat.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana alam semesta memanas setelah inflasi?

Mengabaikan: Medan klasik menggantikan fluktuasi kuantum, yang hanya sah selama bilangan okupasi besar.

Berjalan di: sekitar 10¹³ FLOPS kasar simulasi medan kisi klasik hingga beberapa ribu titik per sisi.Sejak: 1996 Peluruhan klasik inflaton oleh Khlebnikov dan Tkachev. sumber

Perambatan sinar kosmik galaksi

Partikel bermuatan dari supernova yang mengembara melalui Galaksi di bawah difusi, kehilangan energi, dan reaksi nuklir, untuk memprediksi apa yang sampai ke Bumi dan sinar gama yang dipancarkannya.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana sinar kosmik berdifusi melintasi Galaksi, dan apa yang mereka tinggalkan?

Mengabaikan: Medan magnet dan sebaran gas Galaksi dihaluskan, sehingga koefisien difusi dicocokkan.

Berjalan di: sekitar 10¹² FLOPS kasar solusi numerik persamaan transpor di seluruh kisi parameter.Sejak: 1998 Perambatan nukleon sinar kosmik di Galaksi oleh Strong dan Moskalenko. sumber

Simulasi kosmologis yang dapat diturunkan

Simulasi partikel-jaring dari pertumbuhan struktur yang ditulis agar gradien mengalir melaluinya, sehingga kondisi awal atau parameter bisa disesuaikan langsung dengan galaksi yang teramati.

Pertanyaan yang dijawabnya: Medan kerapatan awal dan kosmologi apa yang mereproduksi galaksi yang benar-benar kita lihat?

Mengabaikan: Skema partikel-mesh cepat itu kasar pada skala kecil, sehingga cocok untuk struktur besar tetapi tidak untuk bagian dalam galaksi.

Berjalan di: sekitar 10¹⁶ FLOPS kasar ratusan jam GPU per volume yang dicocokkan.Sejak: 2020 FlowPM oleh Modi dan rekan, pemecah kosmologi partikel-jaring TensorFlow terdistribusi. sumber

Katalog dan citra survei langit sintetis

Alam semesta tiruan berisi galaksi, bintang, dan objek transien diambil dari simulasi, lalu diubah menjadi citra piksel yang akan direkam teleskop survei dan pipelinenya, lengkap dengan derau, objek yang saling tumpang tindih, dan efek instrumen.

Pertanyaan yang dijawabnya: Akankah perangkat lunak survei memulihkan kosmologi yang sebenarnya dari langit yang kebenarannya kita ketahui?

Mengabaikan: Langit tiruan hanya memuat fisika dan efek instrumen yang terpikir oleh penulisnya, sehingga galat sistematik yang tak terduga tetap tak terduga.

Berjalan di: sekitar 10¹⁷ FLOPS kasar bulan pada beberapa alokasi superkomputer untuk pembuatan katalog dan citra.Sejak: 2021 Survei langit simulasi DC2 dari LSST Dark Energy Science Collaboration. sumber

Simulasi tumbukan dan penggabungan galaksi

Dua galaksi diperlakukan sebagai cakram bintang uji yang saling melintas di bawah gravitasi, untuk menunjukkan bagaimana ekor pasang surut, jembatan, dan penggabungan terbentuk.

Pertanyaan yang dijawabnya: Apakah aliran bintang panjang yang terlihat di sekitar beberapa galaksi berasal dari perjumpaan dekat di masa lalu?

Mengabaikan: Versi awal mengabaikan gravitasi bintang-bintang pada satu sama lain dan pada gas, dan satu kecocokan dengan pasangan nyata hanyalah satu sejarah yang mungkin.

Berjalan di: sekitar 10¹² FLOPS kasar jam hingga hari di workstation untuk satu penggabungan modern beresolusi tinggi.Sejak: 1972 Perhitungan tiga-benda terbatas Toomre dan Toomre tentang jembatan dan ekor galaktik. sumber

Evolusi bintang

Bintang sebagai lapisan gas bersarang, membakar bahan bakarnya dari kelahiran hingga katai putih, bintang neutron, atau lubang hitam.

Pertanyaan yang dijawabnya: Berapa lama bintang bermassa ini hidup, dan bagaimana ia mati?

Mengabaikan: Memperlakukan konveksi dan rotasi dengan resep terparametrisasi, tanpa menyelesaikan turbulensinya secara langsung.

Berjalan di: sekitar 10¹² FLOPS kasar laptop; satu lintasan evolusi penuh memakan waktu beberapa menit.Sejak: 1955 Model awal bintang raksasa merah yang dihitung oleh Hoyle dan Schwarzschild.

Supernova keruntuhan inti

Detik terakhir sebuah bintang masif: inti yang runtuh, neutrino yang membanjir keluar, dan gelombang kejut yang meledakkan bintang atau macet.

Pertanyaan yang dijawabnya: Mekanisme apa yang mendorong ledakan bintang masif?

Mengabaikan: Mekanisme yang menghidupkan kembali gelombang kejut yang macet belum disepakati, dan model berbeda dari bintang ke bintang.

Berjalan di: sekitar 10¹⁷ FLOPS kasar sebagian besar superkomputer nasional, selama berbulan-bulan.Sejak: 1966 Model komputer pertama Colgate dan White untuk keruntuhan inti.

Pembentukan bintang

Awan gas dingin yang runtuh akibat gravitasi menjadi gugusan bintang, dengan turbulensi dan medan magnet yang mendorong balik.

Pertanyaan yang dijawabnya: Mengapa bintang terbentuk dengan sebaran massa seperti yang ada?

Mengabaikan: Belum bisa menyelesaikan seluruh awan sekaligus skala kecil tempat satu bintang benar-benar terbentuk.

Berjalan di: sekitar 10¹⁶ FLOPS kasar klaster universitas atau nasional, berminggu-minggu untuk satu awan.Sejak: 1969 Keruntuhan awan protobintang pertama yang dihitung oleh Larson.

Osilasi bintang

Gelombang bunyi dan gravitasi yang bergema di interior bintang, dihitung untuk memprediksi pola kerlip kecerahan yang akan terlihat teleskop.

Pertanyaan yang dijawabnya: Apa yang dikatakan goyangan sebuah bintang tentang isi di dalamnya?

Mengabaikan: Hanya lapisan luar yang terbatasi dengan baik. Inti terdalam masih soal kesimpulan, bukan pengukuran langsung.

Berjalan di: sekitar 10¹² FLOPS kasar laptop; satu spektrum osilasi penuh memakan waktu beberapa menit.Sejak: 1975 model osilasi hasil hitungan awal dibandingkan dengan denyut lima menit Matahari yang teramati.

Evolusi bintang ganda

Dua bintang yang mengorbit cukup dekat untuk saling menarik gas, bertukar massa, bergabung, atau berakhir sebagai pasangan terikat dari sisa padat.

Pertanyaan yang dijawabnya: Akankah sepasang bintang ini berakhir sebagai penggabungan, pasangan yang bertahan, atau sumber gelombang gravitasi?

Mengabaikan: Perpindahan massa antara dua bintang masih diwakili oleh sekumpulan kecil resep yang bisa disetel, bukan diturunkan dari prinsip pertama.

Berjalan di: sekitar 10¹² FLOPS kasar laptop; populasi bintang ganda berevolusi dalam beberapa menit.Sejak: 1967 model perpindahan massa hasil hitungan awal antara bintang ganda dekat.

Atmosfer dan spektrum bintang

Cahaya yang lolos melalui lapisan luar bintang, dihitung terhadap suhu dan komposisi untuk memprediksi spektrum yang akan direkam teleskop.

Pertanyaan yang dijawabnya: Terbuat dari apa bintang ini, dan seberapa panas permukaannya?

Mengabaikan: Mengasumsikan atmosfer yang mulus dan tenang, padahal bintik bintang dan sel konveksi sebenarnya membuat permukaan yang nyata menjadi kasar.

Berjalan di: sekitar 10¹³ FLOPS kasar workstation; beberapa jam per bintang yang dimodelkan.Sejak: 1967 atmosfer model hasil hitungan awal dibandingkan dengan spektrum bintang yang terukur.

Evolusi rasa neutrino supernova

Aliran neutrino yang padat meninggalkan bintang yang runtuh, diikuti saat mereka saling menghambur dan berganti rasa, yang memengaruhi ledakan dan unsur yang ditempa.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana neutrino bertukar rasa di tengah kerumunan di dalam supernova?

Mengabaikan: Masalah penuhnya terlalu besar untuk diselesaikan bersama ledakan, sehingga fisika rasa diperlakukan dalam kotak kecil yang disederhanakan.

Berjalan di: sekitar 10¹⁵ FLOPS kasar persamaan kinetik kuantum berpasangan dalam beberapa dimensi.Sejak: 2006 Simulasi Duan, Fuller, Carlson, dan Qian tentang transformasi rasa neutrino nonlinier koheren di lingkungan supernova. sumber

Simulasi konveksi permukaan bintang

Lapisan permukaan bintang yang mendidih dihitung dalam tiga dimensi dengan radiasi, untuk mereproduksi granulasi dan bentuk garis spektrum.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seperti apa permukaan sebuah bintang, dan bagaimana garis-garisnya terbentuk?

Mengabaikan: Hanya sepetak tipis yang dimodelkan, dan lapisan dalam di bawahnya dipaksakan dari model bintang satu dimensi.

Berjalan di: sekitar 10¹⁵ FLOPS kasar hidrodinamika radiasi tiga dimensi pada sebidang permukaan.Sejak: 1998 Simulasi granulasi Matahari oleh Stein dan Nordlund. sumber

Evolusi selubung bersama

Bintang padat berputar spiral di dalam lapisan luar pasangannya yang membengkak, mengeluarkan gas atau bergabung, diikuti dengan hidrodinamika untuk melihat bintang ganda dekat mana yang bertahan.

Pertanyaan yang dijawabnya: Apakah bintang yang berputar spiral melontarkan selubungnya atau bergabung dengan inti?

Mengabaikan: Simulasinya berlangsung jauh lebih singkat daripada peristiwa nyata dan tak bisa mendinginkan gas, sehingga pemisahan akhir tetap tidak pasti.

Berjalan di: sekitar 10¹⁶ FLOPS kasar simulasi hidrodinamika tiga dimensi untuk beberapa orbit.Sejak: 1996 Simulasi hidrodinamika sistem selubung bersama oleh Rasio dan Livio. sumber

Sintesis populasi biner

Jutaan bintang biner dievolusikan dengan aturan cepat untuk perpindahan massa, pasang surut, dan tendangan supernova, untuk memprediksi berapa banyak penggabungan, nova, dan sumber gelombang gravitasi dalam sebuah galaksi.

Pertanyaan yang dijawabnya: Berapa banyak biner lubang hitam dan bintang neutron yang dihasilkan sebuah galaksi?

Mengabaikan: Rumus penyesuaian cepat menggantikan model bintang terperinci, sehingga hasil langka bergantung pada aturan yang diasumsikan.

Berjalan di: sekitar 10¹² FLOPS kasar jutaan biner dievolusikan dengan pencocokan analitik.Sejak: 2002 Evolusi cepat bintang biner termasuk pasang surut oleh Hurley, Tout, dan Pols, untuk studi populasi. sumber

Collapsar dan jet ledakan sinar gama

Bintang masif yang runtuh menjadi lubang hitam dan mendorong semburan menembus selubung bintang, diikuti dengan hidrodinamika relativistik untuk melihat apakah sebuah ledakan bisa lolos.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bisakah semburan dari bintang yang runtuh menembus keluar dan menghasilkan ledakan sinar gama?

Mengabaikan: Peluncuran jet dipaksakan dengan tangan, karena mesin pusatnya terlalu kecil dan cepat untuk diikuti dengan selubungnya.

Berjalan di: sekitar 10¹⁶ FLOPS kasar hidrodinamika relativistik dari aksisimetris hingga tiga dimensi.Sejak: 1999 Simulasi collapsar oleh MacFadyen dan Woosley tentang semburan sinar gamma dan ledakan pada supernova yang gagal. sumber

Jaringan reaksi astrokimia

Ratusan reaksi fase gas dan permukaan butir diintegrasikan dalam awan antarbintang dingin untuk memprediksi molekul apa yang terbentuk dan bagaimana ia menipis ketika bintang mulai memadat.

Pertanyaan yang dijawabnya: Molekul apa yang terbentuk dalam awan dingin, dan secepat apa?

Mengabaikan: Banyak koefisien laju hanya diukur pada suhu ruang atau hanya ditebak.

Berjalan di: sekitar 10⁸ FLOPS kasar persamaan laju kaku untuk ribuan spesies, murah per awan.Sejak: 1973 Model Herbst dan Klemperer tentang pembentukan dan penipisan molekul di awan antarbintang yang padat. sumber

Turbulensi antarbintang bermagnet

Gas termampatkan yang termagnetisasi diaduk dalam kotak periodik untuk mencari seberapa cepat turbulensi kehilangan energi, yang menentukan seberapa cepat awan runtuh menjadi bintang.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa cepat turbulensi di gas antarbintang mereda?

Mengabaikan: Disipasi numerik menggantikan fisika skala kecil yang sebenarnya, dan kotaknya tak punya dinding atau gravitasi.

Berjalan di: sekitar 10¹⁵ FLOPS kasar simulasi MHD tiga dimensi pada resolusi tinggi.Sejak: 1998 Disipasi dalam turbulensi magnetohidrodinamik terkompresi oleh Stone, Ostriker, dan Gammie. sumber

Pembentukan planet

Debu di cakram sekitar bintang muda menempel menjadi kerikil, planetesimal, dan akhirnya planet.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana cakram debu berakhir menjadi sebuah tata surya?

Mengabaikan: Langkah dari kerikil menjadi planetesimal sepanjang kilometer masih lebih banyak diasumsikan daripada diturunkan.

Berjalan di: sekitar 10¹⁵ FLOPS kasar klaster universitas, berhari-hari hingga berminggu-minggu per cakram.Sejak: 1978 Simulasi numerik pertama Greenberg dan rekan tentang akresi planetesimal.

Dinamika orbit

Planet-planet yang saling menarik selama miliaran tahun, dengan asteroid dan komet yang menyelinap di antaranya.

Pertanyaan yang dijawabnya: Apakah tata surya stabil, dan akankah asteroid ini menabrak sesuatu?

Mengabaikan: Kekacauan berarti galat pembulatan yang kecil bisa membalik jawaban setelah cukup lama.

Berjalan di: sekitar 10¹³ FLOPS kasar komputer desktop; miliaran tahun muat dalam beberapa hari.Sejak: 1988 Orrery digital Sussman dan Wisdom menemukan kekacauan pada orbit Pluto.

Jalankan model interaktif

Atmosfer planet dan eksoplanet

Model iklim yang disesuaikan untuk dunia lain: gas, gravitasi, rotasi, dan cahaya bintang yang berbeda.

Pertanyaan yang dijawabnya: Mungkinkah air cair bertahan di permukaan planet ini?

Mengabaikan: Menerapkan parameterisasi awan dan kimia yang dikalibrasi di Bumi pada atmosfer yang mungkin berperilaku sangat berbeda.

Berjalan di: sekitar 10¹⁵ FLOPS kasar klaster universitas, berhari-hari per tahun planet tersimulasi.Sejak: 1969 Model sirkulasi umum pertama Mars oleh Leovy dan Mintz.

Interior planet dan dinamo

Batuan atau logam panas yang berkonveksi jauh di dalam planet, dimodelkan untuk melihat apakah ia membangkitkan medan magnet dan bagaimana panas keluar ke permukaan.

Pertanyaan yang dijawabnya: Mengapa planet ini punya medan magnet, dan mengapa planet lain yang ukurannya mirip tidak?

Mengabaikan: Dijalankan pada viskositas dan laju rotasi yang jauh lebih lembut daripada inti planet nyata, lalu diskalakan naik dengan asumsi.

Berjalan di: sekitar 10¹⁶ FLOPS kasar klaster nasional, berminggu-minggu untuk satu model interior.Sejak: 1995 model komputer tiga dimensi awal geodinamo yang membangkitkan medan Bumi.

Pembentukan kawah tumbukan

Asteroid atau komet menghantam planet, dimodelkan dari gelombang kejut melalui tanah sampai kawah, puing, dan efek iklim yang tersisa.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa besar kawah, dan seberapa besar kerusakan, yang akan ditimbulkan penabrak ini?

Mengabaikan: Kekuatan dan struktur dalam benda penumbuk biasanya disimpulkan dari ukuran dan kecepatannya saja.

Berjalan di: sekitar 10¹⁴ FLOPS kasar workstation atau klaster kecil, beberapa jam per skenario tumbukan.Sejak: 1980 simulasi hydrocode awal untuk kawah tumbukan, didorong oleh hipotesis kepunahan dinosaurus.

Deteksi dan karakterisasi eksoplanet

Peredupan atau goyangan yang akan ditimbulkan sebuah planet pada cahaya bintangnya, dihitung untuk dibandingkan dengan data teleskop sungguhan dan menarik keluar ukuran serta orbitnya.

Pertanyaan yang dijawabnya: Apakah penurunan kecerahan itu benar-benar planet, dan jika ya, seberapa besar?

Mengabaikan: Bintik bintang dan getaran bintang bisa meniru sinyal planet dengan cukup mirip untuk mengelabui pencarian otomatis.

Berjalan di: sekitar 10¹³ FLOPS kasar workstation; beberapa menit hingga jam per sinyal kandidat.Sejak: 1984 model kurva cahaya hasil hitungan awal yang dipakai untuk merencanakan pencarian eksoplanet pertama.

Simulasi tumbukan raksasa

Hidrodinamika partikel mulus dari dua benda seukuran planet yang bertabrakan, melacak lelehan dan puing yang mungkin menyatu menjadi bulan.

Pertanyaan yang dijawabnya: Mungkinkah tumbukan antara planet-planet muda menghasilkan Bulan?

Mengabaikan: Hasilnya bergantung pada persamaan keadaan dan asumsi spin serta sudut awal.

Berjalan di: sekitar 10¹⁷ FLOPS kasar Jutaan partikel SPH dengan persamaan keadaan realistisSejak: 2001 Origin of the Moon in a giant impact near the end of Earth's formation (2001) sumber

Sintesis populasi planet

Model pembentukan planet semianalitik yang cepat dijalankan untuk ribuan sistem tersimulasi guna menghasilkan populasi statistik yang dibandingkan dengan survei eksoplanet.

Pertanyaan yang dijawabnya: Campuran massa dan orbit planet seperti apa yang diprediksi sebuah teori pembentukan tertentu?

Mengabaikan: Setiap sistem adalah model satu dimensi yang disederhanakan, bukan simulasi hidrodinamika penuh.

Berjalan di: sekitar 10¹⁴ FLOPS kasar Ribuan simulasi cakram satu dimensi yang murahSejak: 2004 Toward a deterministic model of planetary formation I (2004) sumber

Retrieval atmosfer eksoplanet

Atmosfer model dijalankan ribuan kali terhadap spektrum transmisi atau emisi untuk menyimpulkan suhu dan kelimpahan molekul.

Pertanyaan yang dijawabnya: Terbuat dari apa udara di planet yang jauh?

Mengabaikan: Model satu dimensi dicocokkan dengan data berkualitas terbatas, sehingga solusi degenerat lazim terjadi.

Berjalan di: sekitar 10¹² FLOPS kasar jutaan evaluasi spektrum dalam pengambil sampel Bayesian.Sejak: 2009 Metode pengambilan suhu dan kelimpahan atmosfer eksoplanet oleh Madhusudhan dan Seager. sumber

Pemodelan iklim zona layak huni

Model iklim satu dimensi planet berbatu pada jarak berbeda dari bintangnya, menyeimbangkan cahaya bintang, gas rumah kaca, dan awan untuk menemukan di mana air cair bisa bertahan.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa jauh dari bintangnya sebuah planet bisa berada dan tetap memiliki air cair?

Mengabaikan: Satu kolom tidak bisa mewakili awan atau kontras siang-malam, sehingga tepi zona bergeser dengan model tiga dimensi.

Berjalan di: sekitar 10⁶ FLOPS kasar kolom radiatif-konvektif satu dimensi, cukup ringan untuk laptop.Sejak: 1993 Zona layak huni di sekitar bintang deret utama oleh Kasting, Whitmire, dan Reynolds. sumber

Pembentukan planetesimal oleh ketidakstabilan aliran

Butiran debu dalam cakram gas menggumpal menjadi benda pertama berukuran kilometer, disimulasikan dengan partikel dan gas untuk melihat apakah turbulensi bisa memusatkannya cukup untuk runtuh.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana kerikil menggumpal menjadi bahan pembangun planet yang pertama?

Mengabaikan: Kotak-kotak kecil menutupi sebagian cakram, dan ukuran partikelnya berada dalam rentang sempit.

Berjalan di: sekitar 10¹⁶ FLOPS kasar simulasi kotak lokal tiga dimensi dengan ratusan juta partikel.Sejak: 2007 Pembentukan cepat planetesimal di cakram sirkumbintang turbulen oleh Johansen dan rekan. sumber

Interaksi planet-cakram dan migrasi

Planet yang tertanam di dalam cakram gas tempat ia terbentuk, yang menarik jejak spiral yang menyeretnya ke dalam atau ke luar.

Pertanyaan yang dijawabnya: Mengapa planet berpindah dari tempat ia terbentuk?

Mengabaikan: Laju migrasi peka terhadap termodinamika dan viskositas cakram, yang kurang diketahui.

Berjalan di: sekitar 10¹⁴ FLOPS kasar simulasi cakram hidrodinamika selama ribuan orbit.Sejak: 2000 Simulasi hidrodinamika migrasi sistem protoplanet oleh Kley. sumber

Penggabungan lubang hitam

Persamaan Einstein diselesaikan langsung saat dua lubang hitam berputar spiral bersama, menghasilkan sinyal gelombang gravitasi yang didengarkan detektor.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bentuk gelombang apa yang seharusnya kita lihat dari dua lubang hitam bermassa ini?

Mengabaikan: Sepersekian detik terakhir sebelum penggabungan masih memerlukan hampiran yang tidak sepenuhnya bisa diselesaikan komputer mana pun.

Berjalan di: sekitar 10^16.5 FLOPS kasar klaster besar, berminggu-minggu untuk satu bentuk gelombang.Sejak: 1964 Tumbukan frontal dua lubang hitam pertama yang dihitung oleh Hahn dan Lindquist.

Cakram akresi dan semburan

Gas bermagnet berputar spiral ke lubang hitam, memanas, dan meluncurkan jet yang membentang ribuan tahun cahaya.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana sebuah lubang hitam bersinar lebih terang daripada galaksi di sekitarnya?

Mengabaikan: Tidak bisa melacak cakram sampai ke skala lubang hitam itu sendiri dan galaksi yang lebih luas sekaligus.

Berjalan di: sekitar 10¹⁶ FLOPS kasar klaster besar, berminggu-minggu untuk satu simulasi cakram global.Sejak: 1991 Simulasi Balbus dan Hawley yang mengungkap ketidakstabilan magnetorotasi.

Cuaca antariksa

Angin surya dan letusan dari Matahari yang menghantam medan magnet Bumi.

Pertanyaan yang dijawabnya: Akankah badai surya ini merusak satelit atau jaringan listrik, dan kapan ia tiba?

Mengabaikan: Memprediksi waktu tiba letusan dengan akurasi sedang dan kekuatannya dengan akurasi jauh lebih rendah.

Berjalan di: sekitar 10¹⁵ FLOPS kasar klaster pusat prakiraan nasional, dijalankan beberapa kali sehari.Sejak: 1978 simulasi MHD global awal untuk angin matahari yang menghantam medan Bumi.

Penggabungan bintang neutron

Dua bintang neutron yang berputar menyatu dan bertabrakan, dilacak melalui persamaan Einstein dan fisika nuklir sekaligus untuk melihat puing dan cahaya apa yang terlempar.

Pertanyaan yang dijawabnya: Apakah penggabungan ini menghasilkan lubang hitam, dan apakah ia menempa unsur berat yang ditemukan di Bumi?

Mengabaikan: Fisika nuklir materi serapat ini masih belum sepenuhnya diketahui, sehingga komposisi puingnya membawa ketidakpastian yang nyata.

Berjalan di: sekitar 10¹⁷ FLOPS kasar sebagian besar superkomputer nasional, selama berminggu-minggu.Sejak: 1990 simulasi hidrodinamika relativistik awal untuk bintang neutron yang bertumbukan.

Magnetosfer pulsar

Medan magnet dan plasma yang berputar di sekitar bintang neutron yang berotasi, dihitung untuk melihat bagaimana ia memancarkan gelombang radio dan partikel berenergi tinggi ke angkasa.

Pertanyaan yang dijawabnya: Mengapa berkas pulsar menyapu garis pandang secara periodik, dan apa yang menentukan bentuknya?

Mengabaikan: Plasma tepat di permukaan bintang, tempat berkas benar-benar terbentuk, masih kurang dipahami secara fisika.

Berjalan di: sekitar 10¹⁵ FLOPS kasar klaster universitas, berhari-hari per model magnetosfer.Sejak: 1999 simulasi global awal untuk medan magnet pulsar yang berputar.

Interior Matahari dan dinamo

Plasma panas yang berkonveksi dan berputar di dalam Matahari, dimodelkan untuk melihat bagaimana ia melilitkan medan magnet menjadi siklus bintik matahari sebelas tahun.

Pertanyaan yang dijawabnya: Mengapa aktivitas magnetik Matahari naik dan turun dalam siklus sebelas tahun?

Mengabaikan: Belum bisa mereproduksi periode dan amplitudo siklus secara andal tanpa menyetel model ke arah nilai yang teramati.

Berjalan di: sekitar 10¹⁶ FLOPS kasar klaster nasional, berminggu-minggu untuk satu siklus tersimulasi.Sejak: 1983 simulasi konveksi tiga dimensi awal untuk interior Matahari.

Bank templat gelombang gravitasi dari relativitas numerik

Ratusan hingga ribuan penggabungan lubang hitam tersimulasi yang mencakup rasio massa dan spin, dikalibrasi menjadi model bentuk gelombang yang dicocokkan detektor dengan data.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seperti apa sinyal dari penggabungan lubang hitam tertentu?

Mengabaikan: Katalog jarang dalam ruang parameter, sehingga model bentuk gelombang di antaranya adalah hasil penyesuaian, bukan simulasi.

Berjalan di: sekitar 10¹⁷ FLOPS kasar ribuan simulasi penggabungan, masing-masing berminggu-minggu di sebuah klaster.Sejak: 2013 Katalog 174 simulasi biner lubang hitam oleh Mroue dan rekan untuk astronomi gelombang gravitasi. sumber

Tantangan data tiruan gelombang gravitasi

Data detektor tersimulasi dengan banyak sumber yang disuntikkan dan derau realistis, dipakai untuk menguji apakah jalur analisis bisa memulihkan sinyal astrofisika yang tersembunyi di dalamnya.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bisakah pipeline analisis menemukan dan mengukur setiap sumber yang terkubur dalam derau?

Mengabaikan: Derau diidealkan dan populasi sumber yang disuntikkan diasumsikan, sehingga komplikasi data nyata tidak ada.

Berjalan di: sekitar 10¹⁴ FLOPS kasar banyak aliran data panjang dengan ribuan sumber yang tumpang tindih.Sejak: 2006 Mock LISA Data Challenges, uji buta komunitas pertama untuk analisis gelombang gravitasi berbasis antariksa. sumber

Simulasi magnetosfer dan semburan magnetar

Medan magnet terpilin di luar magnetar, bintang neutron dengan medan terkuat yang diketahui, diikuti saat menumpuk tegangan, tersambung ulang, dan melepaskan suar.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bagaimana medan terpilin bintang neutron melepaskan energi dalam suatu semburan?

Mengabaikan: Fisika bebas gaya melupakan inersia plasma dan produksi pasangan yang menggerakkan semburan sungguhan.

Berjalan di: sekitar 10¹⁶ FLOPS kasar simulasi bebas-gaya relativistik di klaster.Sejak: 2012 Simulasi magnetosfer magnetar yang terpilin dan tersambung kembali oleh Parfrey, Beloborodov, dan Hui. sumber

Perenderan bayangan dan citra lubang hitam

Sinar cahaya dilacak melalui ruang-waktu melengkung di sekitar lubang hitam dan gas panasnya untuk memprediksi citra berbentuk cincin yang akan dilihat teleskop.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seperti apa rupa gas berpendar di sekitar lubang hitam jika dilihat dari Bumi?

Mengabaikan: Model gasnya tebakan pascapemrosesan, sehingga citranya bergantung pada suhu elektron dan medan magnet yang diasumsikan.

Berjalan di: sekitar 10¹⁵ FLOPS kasar penelusuran sinar melalui ribuan potret simulasi akresi.Sejak: 2000 Citra simulasi Falcke, Melia, dan Agol tentang bayangan lubang hitam di pusat Galaksi. sumber

Disrupsi pasang surut bintang oleh lubang hitam

Bintang yang tercabik oleh lubang hitam masif, puing-puingnya terentang menjadi aliran yang jatuh kembali dan menyala, diikuti dengan hidrodinamika.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa banyak bagian bintang yang tercabik itu jatuh ke lubang hitam, dan seberapa terang semburannya?

Mengabaikan: Radiasi yang membuat suar terlihat hanya didekati, sehingga kurva cahayanya disimpulkan, bukan disimulasikan dari ujung ke ujung.

Berjalan di: sekitar 10¹⁶ FLOPS kasar simulasi partikel mulus atau berbasis kisi dengan perlakuan relativitas umum.Sejak: 1989 Simulasi hidrodinamika Evans dan Kochanek untuk gangguan pasang surut bintang oleh lubang hitam masif. sumber

Transfer radiatif kilonova

Awan puing unsur berat yang berpendar dari penggabungan bintang neutron, dimodelkan dengan pemanasan radioaktif dan transpor radiasi untuk memprediksi cahaya dan warnanya.

Pertanyaan yang dijawabnya: Seberapa terang dan seberapa merah cahaya pascapijar dari penggabungan bintang neutron?

Mengabaikan: Opasitas unsur terberat bertumpu pada data atom yang tidak lengkap dan mendominasi ketidakpastian warna yang diprediksi.

Berjalan di: sekitar 10¹⁴ FLOPS kasar transpor radiasi Monte Carlo multidimensi dengan data opasitas atom.Sejak: 2010 Model pasangan elektromagnetik yang ditenagai peluruhan radioaktif proses-r oleh Metzger dan rekan. sumber

Pemodelan sabuk radiasi

Elektron dan proton berenergi tinggi yang terperangkap dalam medan magnet di sekitar planet, digerakkan oleh difusi, injeksi, dan kehilangan untuk memprediksi bahaya bagi satelit.

Pertanyaan yang dijawabnya: Mengapa sabuk radiasi terperangkap membengkak dan menyusut selama badai magnetik?

Mengabaikan: Laju difusi gelombang-partikel diparametrisasi dari pengukuran terbatas, sumber galat utama.

Berjalan di: sekitar 10¹³ FLOPS kasar simulasi difusi tiga dimensi selama interval badai.Sejak: 1995 Model tiga dimensi sabuk radiasi elektron oleh Beutier dan Boscher. sumber

Inferensi saraf untuk gelombang gravitasi

Jaringan saraf dilatih pada jutaan sinyal penggabungan tersimulasi dalam derau detektor sintetis sehingga dapat mengeluarkan massa, spin, dan jarak yang mungkin dari peristiwa baru hampir seketika.

Pertanyaan yang dijawabnya: Bisakah sifat penggabungan lubang hitam disimpulkan dalam hitungan detik, cukup dini untuk mengarahkan teleskop ke sana?

Mengabaikan: Ia hanya sebaik model bentuk gelombang dan derau tempat ia dilatih, dan sinyal tak biasa bisa jatuh di luar apa yang dipelajarinya.

Berjalan di: sekitar 10¹⁷ FLOPS kasar pelatihan GPU berminggu-minggu pada bentuk gelombang simulasi.Sejak: 2021 Estimasi posterior saraf Dax dan rekan-rekannya untuk peristiwa gelombang gravitasi. sumber