Список программного обеспечения для космологических вычислений

В этом списке программного обеспечения для космологических вычислений собраны инструменты и программы, используемые учеными в космологических исследованиях.

За последние несколько десятилетий ускоряющаяся технологическая эволюция существенно улучшила астрономические приборы, обеспечив более точные наблюдения и расширив широту и глубину сбора данных на несколько порядков. Одновременно экспоненциальный рост вычислительной мощности позволил создать компьютерные симуляции , которые раскрывают детали с беспрецедентным разрешением и точностью. Для выполнения компьютерных симуляций космоса и анализа данных как космологических экспериментов, так и симуляций каждый год разрабатывается множество передовых методов и вычислительных программных кодов. Эти коды широко используются исследователями по всему миру во всех различных областях и темах космологии.

Вычислительное программное обеспечение, используемое в космологии, можно разделить на следующие основные классы ^{[ по мнению кого? ]} :

• Космологические коды Больцмана: Эти коды используются для расчета теоретического спектра мощности с учетом космологических параметров. Эти коды способны рассчитывать спектр мощности из стандартной модели LCDM или ее производных. Некоторые из наиболее используемых кодов CMB Больцмана: CMBFAST, ^{[1] [2] [3]} CAMB, ^[4] CMBEASY, ^{[5] [6]} CLASS, ^{[7] [8] [9]} CMBAns ^[10] и т. д.
• Оценка космологических параметров: Коды оценки параметров используются для расчета наилучших параметров из данных наблюдений. Готовые к использованию коды, доступные для этой цели, это CosmoMC, ^{[11] [12]} AnalyzeThis, ^[13] SCoPE ^[14] и т. д.

GADGET , названный «GAlaxies with Dark matter and Gas intEracT», представляет собой код, написанный на C++ для космологического моделирования N-тел / сглаженной гидродинамики частиц (SPH) на массивно-параллельных компьютерах с распределенной памятью . ^[15] Его первая версия была разработана немецким астрофизиком Фолькером Шпрингелем и опубликована в 2000 году. ^[16] За ней последовали еще две официальные публичные версии: GADGET-2 ^{[17] [18],} выпущенная в 2005 году, и GADGET-4 ^{[19] [20],} выпущенная в 2020 году, которая на данный момент является последней публичной версией программного пакета. GADGET способен решать широкий спектр интересных с астрофизической точки зрения проблем, например, динамику газообразной межгалактической среды, звездообразование и его регулирование процессами обратной связи, сталкивающиеся и сливающиеся галактики, а также формирование крупномасштабной структуры во Вселенной.

AREPO ^{[21] [22]} — это массивно-параллельный код для гравитационных систем N-тел, гидродинамики и магнитогидродинамики (МГД). Он назван в честь загадочного слова AREPO в латинском палиндромном предложении "sator arepo tenet opera rotas" (квадрат Сатора ). Первая версия AREPO была написана и опубликована Фолькером Шпрингелем в 2010 году, с дальнейшей разработкой Рюдигером Пакмором и вкладами многих других авторов. Код Arepo использует неструктурированную сетку Вороного и был разработан для объединения преимуществ гидродинамики конечного объема и SPH. В первую очередь оптимизированный для космологического моделирования, особенно формирования галактик, Arepo поддерживает высокий динамический диапазон в пространстве и времени. ^[23]

GIZMO ^[24] — гибкий, массивно-параллельный, мультифизический код моделирования, написанный на ANSI C Филиппом Ф. Хопкинсом. Код предлагает разнообразные методы решения уравнений жидкости. Он также вводит новые методы, которые оптимизируют разрешение моделирования и минимизируют общие ошибки, обнаруженные в предыдущих методах, которые ограничивали точность предыдущих решателей. Происходя из GADGET (отсюда и название «GIZMO», игра слов), код поддерживает совместимость в соглашениях об именовании/использовании, а также вводе/выводе, что делает его удобным для тех, кто знаком с GADGET. ^[25]

StePS, ^{[26] [27]} , что означает «STEreographically Projected cosmological Simulations» — это свободно доступный код, реализующий новый метод моделирования N-тел, который моделирует бесконечную вселенную в пределах конечной сферы с изотропными граничными условиями для отслеживания эволюции крупномасштабной структуры. В отличие от традиционных методов, которые используют нереалистичные периодические граничные условия для численной простоты, StePS предлагает более согласованный с наблюдением подход. Этот метод позволяет проводить детальное моделирование бесконечной вселенной, используя меньше памяти, и обеспечивает результаты, которые больше соответствуют наблюдаемой геометрии и топологии вселенной . ^[28]

CosmoGRAPH (Cosmological General Relativity And (Perfect fluid | Particle) Hydrodynamics) — это код C++, используемый для исследования космологических проблем в полностью общей релятивистской обстановке. Он был разработан Джеймсом Мертенсом и Чи Тианом и опубликован в 2016 году. Код реализует различные новые методы численного решения уравнений поля Эйнштейна, включая решатель N-тел, полные возможности AMR через SAMRAI и трассировку лучей .

CMBFAST — это компьютерный код, разработанный Урошем Селяк и Матиасом Залдарриагой (на основе кода Больцмана, написанного Эдмундом Берчингером, Чунг-Пей Ма и Полом Боде) для вычисления спектра мощности анизотропии космического микроволнового фона. Это первая эффективная программа, которая делает это, сокращая время, необходимое для вычисления анизотропии, с нескольких дней до нескольких минут с помощью нового полуаналитического подхода прямой видимости.

Код для анизотропии в микроволновом фоне Энтони Льюиса и Энтони Чаллинора. Первоначально код был основан на CMBFAST. Позже было сделано несколько разработок, чтобы сделать его более быстрым, точным и совместимым с настоящим исследованием. Код написан в объектно-ориентированной манере, чтобы сделать его более удобным для пользователя.

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

Целью Cosmic Linear Anisotropy Solving System является моделирование эволюции линейных возмущений во Вселенной и вычисление CMB и крупномасштабных структурных наблюдаемых. CLASS написан на чистом C для достижения высокой производительности, однако его модульная структура имитирует архитектуру и философию классов в объектно-ориентированных языках для улучшения читаемости и модульности. Название "CLASS" также происходит от его объектно-ориентированного стиля, имитируя понятие класса.

AnalizeThis — это пакет оценки параметров, используемый космологами. Он поставляется с пакетом CMBEASY. Код написан на C++ и использует алгоритм глобальной метрополии для оценки космологических параметров. Код был разработан Майклом Дораном для оценки параметров с использованием правдоподобия WMAP-5. Однако код не обновлялся после 2008 года для новых экспериментов по РКМФ. Поэтому этот пакет в настоящее время не используется сообществом исследователей РКМФ. Пакет поставляется с приятным графическим интерфейсом.

CosmoMC — это движок Fortran 2003 Markov Chain Monte Carlo (MCMC) для исследования пространства космологических параметров. Код выполняет грубую силу (но точные) теоретических расчетов спектра мощности материи и Cl с использованием CAMB. CosmoMC использует простой локальный алгоритм Metropolis вместе с оптимизированным методом быстрой-медленной выборки. Этот метод быстрой-медленной выборки обеспечивает более быструю сходимость для случаев со многими мешающими параметрами, такими как Planck. Пакет CosmoMC также предоставляет подпрограммы для постобработки и построения графиков данных.

CosmoMC был написан Энтони Льюисом в 2002 году, и позже было разработано несколько версий, чтобы поддерживать код в актуальном состоянии с различными космологическими экспериментами. В настоящее время это наиболее используемый код оценки космологических параметров.

SCoPE/Slick Cosmological Parameter Estimator — это недавно разработанный космологический пакет MCMC, написанный Сантану Дасом на языке C. Помимо стандартного алгоритма глобальной метрополии, код использует три уникальных метода, называемых «отложенное отклонение», которое увеличивает скорость принятия цепочки, «предварительная выборка», которая помогает отдельной цепочке работать на параллельных процессорах, и «межцепочечное ковариационное обновление», которое предотвращает кластеризацию цепочек, позволяя быстрее и лучше смешивать цепочки. Код способен быстрее вычислять космологические параметры из данных WMAP и Planck.

• MADCAP — Пакет вычислительного анализа данных микроволновой анизотропии, разработанный Борриллом и др.
• SIToolBox — SI Toolbox — это пакет для оценки нарушения изотропии в небе CMB. Он разработан Das et al. и состоит из нескольких подпрограмм Fortran и автономных объектов, которые могут использоваться для оценки коэффициентов BipoSH из нестатистически изотропных (nSI) карт неба. ^[29]
• RECFAST — Программное обеспечение было разработано Сигером, Сасселов и Скоттом и использовалось для расчета истории рекомбинации Вселенной. Пакет используется космологическими кодами Больцмана (CMBFast, CAMB и т. д.)
• TOAST — масштабируемые инструменты астрофизики с временным порядком, разработанные и спроектированные Теодором Киснером, Рейо Кескитало, Джуллианом Борриллом и др. Они «обобщают проблему построения карты CMB до сведения любых указанных данных во временной области и гарантируют, что анализ экспоненциально растущих наборов данных масштабируется до самых больших доступных систем HPC». ^[30]
• Commander - Commander - это Optimal Monte-Carlo Markov chAiN Driven EstimatoR, который реализует быстрое и эффективное сквозное апостериорное исследование CMB с помощью выборки Гиббса. Он был разработан Гансом Кристианом Эриксеном и др. ^[31]

Различные космологические эксперименты, в частности эксперименты CMB, такие как WMAP и Planck, измеряют температурные колебания в небе CMB, а затем измеряют спектр мощности CMB из наблюдаемой карты неба. Но для оценки параметров требуется χ². Поэтому все эти эксперименты CMB предлагают собственное программное обеспечение для правдоподобия.

• Пакет вероятностей WMAP
• Программное обеспечение Planck для расчета правдоподобия