Астрономия и космология

Космологическая задача N тел

Тёмная материя как миллиарды частиц, выросших под действием тяжести из почти однородной ранней Вселенной в космическую паутину из нитей, стен и пустот.

Вопрос, на который отвечает: Вырастает ли в нашей модели Вселенной та же крупномасштабная структура, что видят телескопы?

Не учитывает: Одна частица заменяет миллион солнц, поэтому ничего мельче галактики на самом деле нет.

Работает на: около 10^17.5 FLOPS приблизительно большая доля национального суперкомпьютера, на недели.С: 1970 300-точечная модель образования скопления галактик Пиблса, одна из самых ранних; расчёты N тел для звёздных скоплений начал фон Хёрнер в 1960 году

Формирование галактик

Охлаждение газа, звездообразование и взрывы сверхновых, а также аккреция чёрных дыр, порождающая истечения, — всё это наслаивается на паутину тёмной материи.

Вопрос, на который отвечает: Почему галактики бывают именно таких форм и размеров?

Не учитывает: Звёздообразование и обратная связь от чёрных дыр представлены настраиваемыми подсеточными правилами, а не выведены из первых принципов.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно большой кусок национального суперкомпьютера, недели работы.С: 1992 первые совмещённые симуляции гравитации и газа для формирующихся галактик.

Нуклеосинтез Большого взрыва

Первые двадцать минут, когда Вселенная была ядерным реактором и делала водород, гелий и следы лития.

Вопрос, на который отвечает: Совпадают ли предсказанные соотношения элементов с самым древним газом, который можно измерить?

Не учитывает: Предполагает, что ранняя Вселенная была идеально однородной, хотя в ней были небольшие неоднородности.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно ноутбук; весь расчёт занимает секунды.С: 1967 Первые вычисленные содержания лёгких элементов, Вагонер, Фаулер и Хойл.

Космический микроволновый фон

Рябь в горячей плазме молодой вселенной эволюционирует, пока свет не высвободится через 380 000 лет после Большого взрыва.

Вопрос, на который отвечает: Какие космологические параметры дают наблюдаемую картину горячих и холодных пятен?

Не учитывает: Предполагает, что стандартная космологическая модель верна, и подгоняет лишь её небольшой набор параметров.

Работает на: около 10¹³ FLOPS приблизительно настольная рабочая станция; минуты на набор параметров.С: 1996 Быстрый код Больцмана для микроволнового неба, Seljak и Zaldarriaga.

Космическая реионизация

Ультрафиолетовый свет первых звёзд и галактик распространяется по нейтральному водороду, заполнявшему раннюю Вселенную, и ионизирует его.

Вопрос, на который отвечает: Что реионизовало Вселенную после космических тёмных веков?

Не учитывает: Слабые далёкие источники, делающие основную часть ионизации, пока ниже того, что любой телескоп видит напрямую, поэтому их число экстраполируют.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно большая доля национального суперкомпьютера, на недели.С: 1999 первые симуляции переноса излучения для первых ионизованных пузырей.

Межгалактическая среда и лес Лайман-альфа

Тонкий газ, растянутый между галактиками, развивают под действием тяжести и нагрева, пока картина его поглощения не совпадёт с мерцающим лесом линий в спектре далёкого квазара.

Вопрос, на который отвечает: Сколько обычной материи в газе между галактиками и насколько он горячий?

Не учитывает: Зависит от допущений о том, как ультрафиолет от галактик нагревает газ, чего напрямую не наблюдают.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно университетский или национальный кластер, недели на смоделированный объём.С: 1994 первые гидродинамические симуляции, воспроизводящие лес Лайман-альфа.

Симуляции волновой тёмной материи

Вселенную развивают, считая тёмную материю когерентной квантовой волной, подчиняющейся уравнениям Шрёдингера и Пуассона, а не классическими частицами.

Вопрос, на который отвечает: Как выглядела бы космическая структура, если бы тёмная материя была сверхлёгкой волной?

Не учитывает: Требование к разрешению волн затрудняет большие объёмы, а барионы в основном опущены.

Работает на: около 10¹⁹ FLOPS приблизительно Большие волновые симуляции с адаптивной сеткойС: 2014 Cosmic structure as the quantum interference of a coherent dark wave (2014) источник

Условные симуляции локальной Вселенной

Космологические расчёты, где начальные условия настроены так, чтобы эволюционировавший объём воспроизводил наблюдаемых соседей нашей галактики, включая близкие скопления.

Вопрос, на который отвечает: Можем ли мы смоделировать настоящие структуры вокруг Млечного Пути, а не типичный участок Вселенной?

Не учитывает: Ограничения берутся из шумных данных о расстояниях, поэтому совпадение статистическое, а не точное.

Работает на: около 10¹⁹ FLOPS приблизительно Большие расчёты N тел или гидродинамические расчёты из заданных начальных условийС: 2010 Constrained Local UniversE Simulations (CLUES) (2010) источник

Космологические эмуляторы

Небольшой набор дорогих космологических симуляций служит для обучения быстрого интерполятора, который предсказывает статистики, например спектр мощности вещества, для близких значений параметров.

Вопрос, на который отвечает: Можем ли мы предсказать структуру для тысяч вариантов параметров всего по нескольким десяткам симуляций?

Не учитывает: Она охватывает только тот диапазон параметров и ту статистику, на которых обучена.

Работает на: около 10¹⁸ FLOPS приблизительно Планирование нескольких десятков расчётов N тел, затем почти бесплатные предсказанияС: 2010 The Coyote Universe III: simulation suite and precision emulator (2010) источник

Синтез звёздных населений

Суммарный свет многих поколений звёзд складывают из треков звёздной эволюции и спектров, чтобы по цветам галактики читать возраст, массы и историю звездообразования.

Вопрос, на который отвечает: Какая смесь звёзд даёт галактике её цвет?

Не учитывает: Звёздные треки и спектральные библиотеки несут собственные неопределённости, например для поздних стадий эволюции.

Работает на: около 10⁹ FLOPS приблизительно недорогой синтез спектров, повторяемый по сетке возрастов и металличностей.С: 1983 Спектральная эволюция галактик по Бруцуалю, системы раннего типа. источник

Химическая эволюция Галактики

Накопление тяжёлых элементов в галактике со временем из притока газа, звездообразования, гибели звёзд и оттока газа записывают как систему связанных уравнений скоростей.

Вопрос, на который отвечает: Как галактика накопила железо и кислород?

Не учитывает: Перемешивание и газовые потоки сведены к нескольким свободным параметрам, поэтому модель подгоняется, но не предсказывает.

Работает на: около 10⁸ FLOPS приблизительно дешёвое интегрирование уравнений скоростей, с перебором по параметрам.С: 1968 Модель Тинсли эволюции звёзд и газа в галактиках. источник

Полуаналитическое образование галактик

Галактики «рисуют» на сливающихся гало симуляции тёмной материи по простым правилам охлаждения, звездообразования и обратной связи, прослеживая каждую галактику по малой цене.

Вопрос, на который отвечает: Сколько галактик каждого размера содержат гало тёмной материи?

Не учитывает: Рецепты звездообразования и обратной связи настраиваются, а не выводятся.

Работает на: около 10¹³ FLOPS приблизительно правила, применённые к миллионам деревьев слияний, намного дешевле гидродинамики.С: 1993 Образование галактик в сливающихся гало тёмной материи, Kauffmann, White и Guiderdoni. источник

Симуляция самодействующей тёмной материи

Частицам тёмной материи разрешено рассеиваться друг на друге, так что ядра гало сглаживаются, а спутники меняют форму; результат сверяют с наблюдениями галактик.

Вопрос, на который отвечает: Сталкиваются ли частицы тёмной материи, и смягчает ли это ядра галактик?

Не учитывает: Сечение — свободное число, а барионная обратная связь может имитировать или скрывать то же ядро.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно Расчёты N тел с добавленным шагом рассеяния.С: 2000 Слабо самодействующая тёмная материя и структура тёмных гало, Ёсида, Шпрингель, Уайт и Тормен. источник

Космологическая симуляция с массивными нейтрино

Нейтрино с малой массой добавляют в расчёт образования структур как частицы или жидкость на сетке, чтобы измерить влияние на рост космической паутины.

Вопрос, на который отвечает: Насколько масса нейтрино замедляет рост космических структур?

Не учитывает: Тепловой шум нейтрино делает схемы частиц шумными, а их масса и сама неизвестна.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно расчёты N тел в большом объёме с добавленной нейтринной компонентой.С: 2008 Брандбю, Ханнештад, Хаугбёлле и Томсен: влияние теплового движения нейтрино на нелинейный спектр мощности вещества. источник

Образование структур при модифицированной гравитации

Расчёты N тел, в которых гравитация на больших масштабах отходит от общей теории относительности, а механизм экранирования возвращает её вблизи. Так космос проверяют на новые силы.

Вопрос, на который отвечает: Оставило бы изменение гравитации след в космической структуре?

Не учитывает: Для каждой теории нужен свой подогнанный решатель, а точно проследить скрининг дорого.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно Расчёты N тел с решением дополнительного нелинейного уравнения поля на каждом шаге.С: 2008 Нелинейная эволюция космологий f(R), методология, Oyaizu. источник

Трассировка лучей слабого линзирования через смоделированные вселенные

Лучи света прослеживают сквозь вещество большой симуляции, чтобы предсказать, как слегка искажаются формы галактик. Так калибруют обзоры неба.

Вопрос, на который отвечает: Насколько сильно промежуточная материя искажает формы далёких галактик?

Не учитывает: Приближения нескольких плоскостей и конечное разрешение размывают самые мелкие структуры линзирования.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно трассировка лучей сквозь сотни снимков расчётов N тел.С: 2000 Моделирование слабого линзирования крупномасштабной структурой методом трассировки лучей, Jain, Seljak и White. источник

Эволюция сети космических струн

Сеть тонких натянутых дефектов, оставшихся от раннего фазового перехода, эволюционирует, чтобы увидеть, сколько петель и длинных струн уцелеет и как они будут притягивать.

Вопрос, на который отвечает: Устанавливаются ли космические струны, если они существуют, в узор, остающийся безмасштабным?

Не учитывает: Расчёты теории поля не достигают реалистичной ширины струн, а режим масштабирования достигается лишь экстраполяцией.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно Симуляции Намбу—Гото или теоретико-полевые в расширяющемся ящике.С: 1985 Вычисленная Альбрехтом и Туроком эволюция космических струн. источник

Решёточная динамика полей ранней Вселенной

Скалярные поля на решётке развиваются до конца инфляции, чтобы увидеть, как энергия инфлатона передаётся частицам в бурном резонансном всплеске.

Вопрос, на который отвечает: Как вселенная разогревалась после инфляции?

Не учитывает: Классические поля заменяют квантовые флуктуации, а это верно, только пока числа заполнения велики.

Работает на: около 10¹³ FLOPS приблизительно расчёты классических полей на решётке до нескольких тысяч точек на сторону.С: 1996 Классический распад инфлатона, Хлебников и Ткачёв. источник

Распространение галактических космических лучей

Заряженные частицы от сверхновых блуждают по Галактике, диффундируя, теряя энергию и вступая в ядерные реакции; так предсказывают, что достигает Земли, и какие гамма-лучи они излучают.

Вопрос, на который отвечает: Как космические лучи диффундируют по Галактике и что они оставляют после себя?

Не учитывает: Магнитное поле и распределение газа в Галактике сглажены, поэтому коэффициенты диффузии подгоняют.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно численное решение уравнения переноса по сетке параметров.С: 1998 Распространение нуклонов космических лучей в Галактике по Стронгу и Москаленко. источник

Дифференцируемая космологическая симуляция

Симуляция роста структуры методом «частицы-сетка», написанная так, что градиенты проходят сквозь неё; начальные условия или параметры можно подгонять прямо под наблюдаемые галактики.

Вопрос, на который отвечает: Какое начальное поле плотности и какая космология воспроизводят галактики, которые мы на самом деле видим?

Не учитывает: Быстрая схема частиц на сетке груба на малых масштабах, поэтому подходит для больших структур, но не для внутренности галактик.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно сотни часов GPU на один подогнанный объём.С: 2020 FlowPM Modi и коллег: распределённый космологический решатель частица-сетка на TensorFlow. источник

Синтетические каталоги и снимки обзоров неба

Макетная вселенная из галактик, звёзд и транзиентов берётся из симуляций, а затем превращается в пиксельные изображения, которые записали бы обзорный телескоп и его конвейер обработки: с шумом, наложением и эффектами прибора.

Вопрос, на который отвечает: Восстановит ли программа обзора истинную космологию по небу, истину о котором мы знаем?

Не учитывает: Смоделированное небо содержит только физику и эффекты приборов, о которых подумали его авторы, поэтому непредвиденные систематические ошибки так и остаются непредвиденными.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно месяцы на нескольких выделениях суперкомпьютера для каталога и изображений.С: 2021 Смоделированный обзор неба DC2 Научной коллаборации LSST по тёмной энергии. источник

Симуляция столкновений и слияний галактик

Две галактики рассматривают как диски пробных звёзд, проходящих друг мимо друга под действием тяжести, чтобы показать, как образуются приливные хвосты, мосты и слияния.

Вопрос, на который отвечает: Происходят ли длинные звёздные потоки вокруг некоторых галактик от тесной встречи в прошлом?

Не учитывает: Ранние версии игнорируют гравитацию звёзд друг на друга и на газ, а любое совпадение с настоящей парой — лишь одна из возможных историй.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно от часов до суток на рабочей станции для современного слияния с высоким разрешением.С: 1972 Ограниченные расчёты трёх тел Тумре и Тумре для галактических мостов и хвостов. источник

Эволюция звёзд

Звезда как вложенные оболочки газа выжигает своё топливо от рождения до белого карлика, нейтронной звезды или чёрной дыры.

Вопрос, на который отвечает: Как долго живёт звезда такой массы и как она умирает?

Не учитывает: Конвекцию и вращение описывают параметризованными правилами, а не решают турбулентность напрямую.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно ноутбук; полный эволюционный трек занимает минуты.С: 1955 Ранние расчётные модели красных гигантов Hoyle и Schwarzschild.

Сверхновые с коллапсом ядра

Последняя секунда массивной звезды: ядро схлопывается, нейтрино вырываются наружу, а ударная волна либо разрывает звезду, либо останавливается.

Вопрос, на который отвечает: Какой механизм взрывает массивную звезду?

Не учитывает: Механизм, оживляющий застрявшую ударную волну, ещё не установлен, и модели различаются от звезды к звезде.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно большая доля национального суперкомпьютера, на месяцы.С: 1966 Первые компьютерные модели коллапса ядра Колгейта и Уайта.

Звёздообразование

Холодные облака газа схлопываются под действием тяжести в скопления звёзд, а турбулентность и магнитные поля сопротивляются.

Вопрос, на который отвечает: Почему звёзды образуются с таким разбросом масс?

Не учитывает: Пока не может разрешить одновременно целое облако и крошечные масштабы, где на самом деле рождается одна звезда.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно университетский или национальный кластер, недели на одно облако.С: 1969 Первый рассчитанный коллапс протозвёздного облака, Larson.

Колебания звёзд

Звуковые и гравитационные волны, звенящие внутри звезды: их рассчитывают, чтобы предсказать узор мерцаний яркости, который увидел бы телескоп.

Вопрос, на который отвечает: Что колебания звезды говорят о том, что у неё внутри?

Не учитывает: Хорошо определены только внешние слои. Самое ядро по-прежнему вопрос вывода, а не прямого измерения.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно ноутбук; полный спектр колебаний занимает минуты.С: 1975 первые вычисленные модели колебаний, сопоставленные с наблюдаемыми пятиминутными пульсациями Солнца.

Эволюция двойных звёзд

Две звезды обращаются так близко, что стягивают газ друг у друга, обмениваются массой, сливаются или заканчивают как связанная пара компактных остатков.

Вопрос, на который отвечает: Чем закончит эта пара звёзд: слиянием, уцелевшей парой или источником гравитационных волн?

Не учитывает: Передача массы между двумя звёздами по-прежнему описывается небольшим набором настраиваемых правил, а не выводится из первых принципов.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно ноутбук; популяция двойных систем эволюционирует за минуты.С: 1967 первые вычисленные модели переноса массы между тесными двойными звёздами.

Атмосферы звёзд и спектры

Свет, выходящий через внешние слои звезды. Его считают с учётом температуры и состава, чтобы предсказать спектр, который записал бы телескоп.

Вопрос, на который отвечает: Из чего состоит эта звезда и насколько горяча её поверхность?

Не учитывает: Предполагает гладкую спокойную атмосферу, тогда как пятна и конвективные ячейки на звезде делают настоящую поверхность шероховатой.

Работает на: около 10¹³ FLOPS приблизительно рабочая станция; часы на моделируемую звезду.С: 1967 первые вычисленные модели атмосфер, сопоставленные с измеренными спектрами звёзд.

Эволюция ароматов нейтрино в сверхновых

Плотный поток нейтрино, покидающий коллапсирующую звезду, прослеживают, пока они рассеиваются друг на друге и меняют аромат; это влияет на взрыв и на рождающиеся элементы.

Вопрос, на который отвечает: Как нейтрино меняют аромат в толпе внутри сверхновой?

Не учитывает: Полная задача слишком велика, чтобы решать её вместе со взрывом, поэтому физику ароматов рассматривают в небольших упрощённых ячейках.

Работает на: около 10¹⁵ FLOPS приблизительно связанные квантовые кинетические уравнения в нескольких измерениях.С: 2006 Симуляция Дуаня, Фуллера, Карлсона и Цянь когерентного нелинейного превращения ароматов нейтрино в среде сверхновой. источник

Моделирование конвекции на поверхности звёзд

Кипящие поверхностные слои звезды рассчитывают в трёх измерениях с излучением, чтобы воспроизвести грануляцию и формы спектральных линий.

Вопрос, на который отвечает: Как выглядит поверхность звезды и как образуются её линии?

Не учитывает: Моделируется лишь тонкий участок, а глубокие слои под ним задаются одномерными звёздными моделями.

Работает на: около 10¹⁵ FLOPS приблизительно трёхмерная радиационная гидродинамика участка поверхности.С: 1998 Моделирование солнечной грануляции Штейна и Нордлунда. источник

Эволюция общей оболочки

Компактная звезда по спирали движется внутри раздутых внешних слоёв своего спутника, сбрасывая газ или сливаясь с ним; гидродинамика показывает, какие тесные двойные системы выживают.

Вопрос, на который отвечает: Выбрасывает ли звезда, движущаяся по спирали, оболочку или сливается с ядром?

Не учитывает: Расчёты длятся намного меньше настоящего события и не могут охладить газ, поэтому конечные расстояния остаются неопределёнными.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно трёхмерные гидродинамические прогоны на несколько орбит.С: 1996 Гидродинамические симуляции систем с общей оболочкой, Rasio и Livio. источник

Синтез бинарных популяций

Миллионы двойных звёзд эволюционируют по быстрым правилам передачи массы, приливов и пинков сверхновых, чтобы предсказать, сколько слияний, новых и источников гравитационных волн содержит галактика.

Вопрос, на который отвечает: Сколько двойных систем из чёрных дыр и нейтронных звёзд рождает галактика?

Не учитывает: Быстрые подгоночные формулы заменяют подробные модели звёзд, поэтому редкие исходы зависят от принятых правил.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно миллионы двойных систем, рассчитанных по аналитическим приближениям.С: 2002 Быстрая эволюция двойных звёзд с учётом приливов для популяционных исследований, Hurley, Tout и Pols. источник

Коллапсары и струи гамма-всплесков

Массивная звезда коллапсирует в чёрную дыру и пробивает струёй звёздную оболочку; релятивистская гидродинамика показывает, сможет ли вспышка вырваться наружу.

Вопрос, на который отвечает: Может ли струя от коллапсирующей звезды прорваться наружу и создать гамма-всплеск?

Не учитывает: Запуск струи задан вручную, потому что центральный двигатель слишком мал и быстр, чтобы его можно было отследить вместе с оболочкой.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно от осесимметричной до трёхмерной релятивистской гидродинамики.С: 1999 Симуляции коллапсаров Макфадьена и Вусли для гамма-всплесков и взрывов в несостоявшихся сверхновых. источник

Астрохимические сети реакций

Сотни реакций в газовой фазе и на поверхности пылинок, рассчитанные в холодном межзвёздном облаке, чтобы предсказать, какие молекулы образуются и как они убывают, когда начинают конденсироваться звёзды.

Вопрос, на который отвечает: Какие молекулы образуются в холодном облаке и как быстро?

Не учитывает: Многие коэффициенты скорости измерены только при комнатной температуре или угаданы.

Работает на: около 10⁸ FLOPS приблизительно жёсткие уравнения скоростей для тысяч видов, дёшево на одно облако.С: 1973 Модель образования и разрушения молекул в плотных межзвёздных облаках, Herbst и Klemperer. источник

Намагниченная межзвёздная турбулентность

Сжимаемый намагниченный газ перемешивают в периодическом ящике, чтобы узнать, как быстро турбулентность теряет энергию; от этого зависит, как быстро облака схлопываются в звёзды.

Вопрос, на который отвечает: Как быстро затухает турбулентность в межзвёздном газе?

Не учитывает: Численная диссипация подменяет настоящую физику малых масштабов, а у ящика нет ни стенок, ни гравитации.

Работает на: около 10¹⁵ FLOPS приблизительно трёхмерные МГД-прогоны с высоким разрешением.С: 1998 Рассеяние в сжимаемой магнитогидродинамической турбулентности по Стоуну, Остайкеру и Гэмми. источник

Образование планет

Пыль в диске вокруг молодой звезды слипается в гальку, планетезимали и в конце концов в планеты.

Вопрос, на который отвечает: Как диск пыли превращается в солнечную систему?

Не учитывает: Переход от гальки к планетезимали размером в километры по-прежнему скорее предполагается, чем выводится.

Работает на: около 10¹⁵ FLOPS приблизительно университетский кластер, от дней до недель на один диск.С: 1978 Первые численные расчёты аккреции планетезималей, выполненные Greenberg и коллегами.

Орбитальная динамика

Планеты тянут друг друга на протяжении миллиардов лет, а астероиды и кометы пролетают между ними.

Вопрос, на который отвечает: Устойчива ли солнечная система и во что-нибудь попадёт этот астероид?

Не учитывает: Хаос означает, что крошечная ошибка округления через достаточно долгое время может перевернуть ответ.

Работает на: около 10¹³ FLOPS приблизительно настольный компьютер; миллиарды лет умещаются в несколько дней.С: 1988 Цифровое оррери Сассмана и Уиздома обнаружило хаос на орбите Плутона.

Запустить интерактивную модель

Атмосферы планет и экзопланет

Климатические модели, адаптированные к другим мирам: другие газы, тяжесть, вращение и свет звезды.

Вопрос, на который отвечает: Могла бы жидкая вода сохраниться на поверхности этой планеты?

Не учитывает: Применяет калиброванные по Земле параметризации облаков и химии к атмосферам, которые могут вести себя совсем иначе.

Работает на: около 10¹⁵ FLOPS приблизительно университетский кластер, дни на один смоделированный год планеты.С: 1969 Первая модель общей циркуляции Марса, Leovy и Mintz.

Недра планет и динамо

Горячая конвектирующая порода или металл глубоко внутри планеты. Модель показывает, порождается ли магнитное поле и как тепло уходит к поверхности.

Вопрос, на который отвечает: Почему у этой планеты есть магнитное поле, а у другой, похожей по размеру, нет?

Не учитывает: Работает при вязкости и скорости вращения намного мягче, чем в настоящем ядре планеты, а затем масштабируется по допущению.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно национальный кластер, недели на одну модель недр.С: 1995 первые трёхмерные компьютерные модели геодинамо, создающего поле Земли.

Ударное кратерообразование

Астероид или комета ударяет по планете; моделируется всё: от ударной волны в грунте до кратера, обломков и последствий для климата.

Вопрос, на который отвечает: Какого размера будет кратер и какой ущерб нанесёт этот ударник?

Не учитывает: Прочность и внутреннее строение ударника обычно выводят только из его размера и скорости.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно рабочая станция или небольшой кластер, часы на сценарий удара.С: 1980 первые гидрокод-симуляции ударных кратеров, вызванные гипотезой вымирания динозавров.

Обнаружение и характеризация экзопланет

Затемнение или колебание, которое вызвала бы планета в свете своей звезды, вычисляют, чтобы сравнить с данными настоящих телескопов и извлечь её размер и орбиту.

Вопрос, на который отвечает: Это падение яркости действительно планета и если да, то какого она размера?

Не учитывает: Звёздные пятна и звёздная нестабильность могут так точно имитировать сигнал планеты, что обманут автоматический поиск.

Работает на: около 10¹³ FLOPS приблизительно рабочая станция; от минут до часов на сигнал-кандидат.С: 1984 первые вычисленные модели кривых блеска, использованные для планирования первых поисков экзопланет.

Симуляции гигантских столкновений

Гидродинамика сглаженных частиц для столкновения двух тел размером с планету: прослеживаются расплав и обломки, из которых может собраться луна.

Вопрос, на который отвечает: Могло ли столкновение молодых планет породить Луну?

Не учитывает: Исходы зависят от уравнения состояния и от предполагаемых начального вращения и угла.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно Миллионы частиц SPH с реалистичными уравнениями состоянияС: 2001 Origin of the Moon in a giant impact near the end of Earth's formation (2001) источник

Популяционный синтез планет

Быстрые полуаналитические модели образования планет прогоняют для тысяч смоделированных систем, получая статистическую популяцию, которую сравнивают с обзорами экзопланет.

Вопрос, на который отвечает: Какое сочетание масс и орбит планет предсказывает данная теория образования?

Не учитывает: Каждая система — упрощённая одномерная модель, а не полный гидродинамический расчёт.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно Тысячи дешёвых одномерных прогонов дискаС: 2004 Toward a deterministic model of planetary formation I (2004) источник

Восстановление атмосфер экзопланет

Модель атмосферы запускают тысячи раз и сверяют со спектром пропускания или излучения, чтобы вывести температуру и содержание молекул.

Вопрос, на который отвечает: Из чего состоит воздух далёкой планеты?

Не учитывает: Одномерные модели подгоняют под данные ограниченного качества, поэтому вырожденные решения обычны.

Работает на: около 10¹² FLOPS приблизительно миллионы вычислений спектра в байесовском сэмплере.С: 2009 Метод восстановления температуры и состава атмосфер экзопланет, Madhusudhan и Seager. источник

Моделирование климата в обитаемой зоне

Одномерная климатическая модель каменистой планеты на разных расстояниях от звезды: она уравновешивает свет звезды, парниковые газы и облака, чтобы найти, где может сохраняться жидкая вода.

Вопрос, на который отвечает: Как далеко от звезды может быть планета, сохранив жидкую воду?

Не учитывает: Один столбец не может представить облака и контраст дня и ночи, поэтому края зоны сдвигаются трёхмерными моделями.

Работает на: около 10⁶ FLOPS приблизительно одномерный радиационно-конвективный столбец, достаточно лёгкий для ноутбука.С: 1993 Обитаемые зоны вокруг звёзд главной последовательности, Kasting, Whitmire и Reynolds. источник

Образование планетезималей через потоковую неустойчивость

Пылевые частицы в газовом диске слипаются в первые тела размером в километр; частицы и газ моделируют, чтобы увидеть, может ли турбулентность сгустить их достаточно для коллапса.

Вопрос, на который отвечает: Как гальки слипаются в первые строительные блоки планет?

Не учитывает: Небольшие ячейки покрывают участок диска, а размеры частиц лежат в узком диапазоне.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно трёхмерные прогоны в локальной расчётной области с сотнями миллионов частиц.С: 2007 Быстрое образование планетезималей в турбулентных околозвёздных дисках, Johansen и коллеги. источник

Взаимодействие планеты с диском и миграция

Планета, вложенная в газовый диск, из которого она образовалась, тянет за собой спиральный след, который затягивает её внутрь или выталкивает наружу.

Вопрос, на который отвечает: Почему планеты уходят оттуда, где образовались?

Не учитывает: Скорость миграции чувствительна к термодинамике и вязкости диска, которые плохо известны.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно гидродинамические расчёты диска на тысячи оборотов.С: 2000 Гидродинамические симуляции миграции системы протопланет, Kley. источник

Слияния чёрных дыр

Уравнения Эйнштейна решаются напрямую, пока две чёрные дыры сближаются по спирали, и получается сигнал гравитационных волн, который ловят детекторы.

Вопрос, на который отвечает: Какую форму волны мы должны увидеть от двух чёрных дыр таких масс?

Не учитывает: Последняя доля секунды перед слиянием по-прежнему требует приближений, которые не разрешает полностью ни один компьютер.

Работает на: около 10^16.5 FLOPS приблизительно большой кластер, недели на одну форму волны.С: 1964 Первое рассчитанное лобовое столкновение двух чёрных дыр, Hahn и Lindquist.

Аккреционные диски и джеты

Намагниченный газ по спирали падает в чёрную дыру, нагревается и запускает струи, которые тянутся на тысячи световых лет.

Вопрос, на который отвечает: Как чёрная дыра светит ярче окружающей галактики?

Не учитывает: Не может одновременно отследить диск до масштаба самой чёрной дыры и более широкую галактику.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно большой кластер, недели на запуск для глобального диска.С: 1991 Симуляции Бальбуса и Хоули, выявившие магнитовращательную неустойчивость.

Космическая погода

Солнечный ветер и выбросы Солнца, бьющие по магнитному полю Земли.

Вопрос, на который отвечает: Повредит ли эта солнечная буря спутникам или электросетям и когда она придёт?

Не учитывает: Предсказывает время прихода извержения с умеренной точностью, а его силу куда хуже.

Работает на: около 10¹⁵ FLOPS приблизительно кластер национального центра прогнозов, запускается несколько раз в сутки.С: 1978 первые глобальные симуляции магнитной гидродинамики солнечного ветра, бьющего в поле Земли.

Слияния нейтронных звёзд

Две нейтронные звезды сближаются по спирали и сталкиваются; одновременно прослеживают уравнения Эйнштейна и ядерную физику, чтобы увидеть, какие обломки и какой свет вылетают.

Вопрос, на который отвечает: Образует ли это слияние чёрную дыру, и куёт ли оно тяжёлые элементы, найденные на Земле?

Не учитывает: Ядерная физика такого плотного вещества пока не до конца известна, поэтому состав обломков несёт настоящую неопределённость.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно большая доля национального суперкомпьютера, на недели.С: 1990 первые релятивистские гидродинамические симуляции сталкивающихся нейтронных звёзд.

Магнитосферы пульсаров

Вихревое магнитное поле и плазму вокруг вращающейся нейтронной звезды рассчитывают, чтобы увидеть, как она излучает радиоволны и частицы высоких энергий в космос.

Вопрос, на который отвечает: Почему луч пульсара периодически пересекает линию взгляда и что определяет его форму?

Не учитывает: Плазма прямо у поверхности звезды, где на самом деле формируется пучок, физически по-прежнему плохо изучена.

Работает на: около 10¹⁵ FLOPS приблизительно университетский кластер, дни на модель магнитосферы.С: 1999 первые глобальные симуляции вращающегося магнитного поля пульсара.

Недра Солнца и динамо

Горячая плазма конвектирует и вращается внутри Солнца. Модель показывает, как она закручивает магнитное поле в одиннадцатилетний цикл солнечных пятен.

Вопрос, на который отвечает: Почему магнитная активность Солнца растёт и спадает с одиннадцатилетним циклом?

Не учитывает: Пока не может надёжно воспроизвести период и амплитуду цикла без подстройки модели под наблюдаемые значения.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно национальный кластер, недели на один смоделированный цикл.С: 1983 первые трёхмерные симуляции конвекции в недрах Солнца.

Банки шаблонов гравитационных волн из численной относительности

От сотен до тысяч смоделированных слияний чёрных дыр с разными соотношениями масс и спинами. Они калибруются в модели сигналов, с которыми детекторы сверяют данные.

Вопрос, на который отвечает: Как выглядит сигнал любого слияния чёрных дыр?

Не учитывает: Каталоги разрежены в пространстве параметров, поэтому модели волновых форм между ними — это подгонки, а не симуляции.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно тысячи прогонов слияния, каждый по неделям на кластере.С: 2013 Каталог из 174 симуляций двойных чёрных дыр для гравитационно-волновой астрономии, Mroue и коллеги. источник

Конкурсы на тестовых данных для гравитационных волн

Смоделированные данные детектора со множеством внесённых источников и реалистичным шумом проверяют, могут ли конвейеры анализа восстановить скрытые внутри астрофизические сигналы.

Вопрос, на который отвечает: Может ли конвейер анализа найти и измерить каждый источник, скрытый в шуме?

Не учитывает: Шум идеализирован, а популяция внесённых источников предполагается, поэтому сложности настоящих данных отсутствуют.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно много длинных потоков данных с тысячами перекрывающихся источников.С: 2006 Mock LISA Data Challenges, первые слепые испытания сообщества для анализа гравитационных волн из космоса. источник

Симуляция магнитосферы магнетара и вспышек

Закрученное магнитное поле вокруг магнитара, нейтронной звезды с самыми сильными из известных полей, прослеживают, пока оно накапливает напряжение, пересоединяется и выпускает вспышки.

Вопрос, на который отвечает: Как скрученное поле нейтронной звезды сбрасывает энергию во вспышке?

Не учитывает: Бессиловое приближение не учитывает инерцию плазмы и рождение пар, которые питают настоящие вспышки.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно релятивистские бессиловые расчёты на кластере.С: 2012 Симуляция скручивающихся и пересоединяющихся магнитосфер магнетаров, Parfrey, Beloborodov и Hui. источник

Тень чёрной дыры и отрисовка её изображения

Лучи света прослеживают в искривлённом пространстве-времени вокруг чёрной дыры и её горячего газа, чтобы предсказать кольцевое изображение, которое увидел бы телескоп.

Вопрос, на который отвечает: Как выглядит светящийся газ вокруг чёрной дыры с Земли?

Не учитывает: Модель газа — догадка на этапе постобработки, поэтому картинка зависит от принятых температур электронов и магнитного поля.

Работает на: около 10¹⁵ FLOPS приблизительно трассировка лучей сквозь тысячи снимков симуляций аккреции.С: 2000 Смоделированное изображение тени чёрной дыры в центре Галактики Фальке, Мелиа и Агола. источник

Приливное разрушение звёзд чёрными дырами

Звезду разрывает массивная чёрная дыра, её обломки вытягиваются в поток, который падает обратно и вспыхивает; расчёт ведётся методами гидродинамики.

Вопрос, на который отвечает: Какая часть разорванной звезды падает в чёрную дыру и насколько ярка вспышка?

Не учитывает: Излучение, делающее вспышку видимой, описывается лишь приближённо, поэтому кривую блеска выводят, а не моделируют от начала до конца.

Работает на: около 10¹⁶ FLOPS приблизительно прогоны на сглаженных частицах или сетке с общерелятивистским описанием.С: 1989 Гидродинамическая симуляция приливного разрушения звезды массивной чёрной дырой Эванса и Кочанека. источник

Перенос излучения в килоновой

Светящееся облако обломков тяжёлых элементов от слияния нейтронных звёзд моделируют с радиоактивным нагревом и переносом излучения, чтобы предсказать его свет и цвет.

Вопрос, на который отвечает: Насколько ярким и красным будет послесвечение слияния нейтронных звёзд?

Не учитывает: Непрозрачности самых тяжёлых элементов опираются на неполные атомные данные и дают основную неопределённость предсказанного цвета.

Работает на: около 10¹⁴ FLOPS приблизительно многомерный перенос излучения методом Монте-Карло с данными об атомной непрозрачности.С: 2010 Модель электромагнитных аналогов, питаемых радиоактивным распадом r-процесса, Metzger и коллеги. источник

Моделирование радиационных поясов

Электроны и протоны высоких энергий, захваченные магнитным полем вокруг планеты. Их движение задают диффузия, впрыск и потери. Нужно, чтобы предсказать опасность для спутников.

Вопрос, на который отвечает: Почему пояса захваченного излучения разбухают и опустошаются во время магнитных бурь?

Не учитывает: Скорости волново-частичной диффузии параметризуют по ограниченным измерениям, и это главный источник ошибки.

Работает на: около 10¹³ FLOPS приблизительно трёхмерные прогоны диффузии на интервалах штормов.С: 1995 Трёхмерная модель радиационного пояса электронов Бётье и Бошера. источник

Нейронный вывод для гравитационных волн

Нейронную сеть обучают на миллионах смоделированных сигналов слияний на искусственном шуме детектора, чтобы она почти мгновенно выдавала вероятные массы, спины и расстояние для нового события.

Вопрос, на который отвечает: Можно ли за секунды вывести свойства слияния чёрных дыр достаточно рано, чтобы навести на них телескопы?

Не учитывает: Она хороша ровно настолько, насколько хороши модель сигнала и шум, на которых обучалась, а необычные сигналы могут выйти за пределы выученного.

Работает на: около 10¹⁷ FLOPS приблизительно недели обучения на GPU по смоделированным сигналам.С: 2021 Нейронная апостериорная оценка Дакса с коллегами для событий гравитационных волн. источник