千葉大学と国立天文台が世界最大規模のダークマター構造形状シミュレーションに成功しデータを公開

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千葉大学の石山智明准教授を中心とする国際研究グループは9月10日、国立天文台のスーパーコンピューター「アテルイII」を使った世界最大規模のダークマター構造形成シミュレーションに成功し、おおそ100TB(テラバイト)のシミュレーションデータを公開した

国立天文台では、すばる望遠鏡などを用いた大規模な天体サーベイ観察(特定の天体ではなく宇宙の広い範囲を観測するもの)を行っているが、その観測結果から情報を引き出して検証するためには、銀河や活動銀河核の巨大な模擬カタログが必要になるという。模擬カタログとは、理論的な枠組みで構築された銀河や活動銀河核などの天体のさまざまな計算上の情報を含むデータセットで、実際の観測データと比較することで、観測結果から数多くの情報を引き出すことができるというもの。今回公開されたデータは、その基礎データとなるもので、宇宙の大規模構造と銀河形成の解明に向けた研究に役立てられるとのこと。

この研究の目的は、宇宙の大規模構造の形成という天文学上の大きな謎の解明に関わるもの。そのためには、大規模天体サーベイ観測から情報を引き出すのに必要な巨大な模擬カタログの構築と、その土台となる大規模の構造形成シミュレーションを実現する必要がある。宇宙の構造形成には、ダークマターと呼ばれる目に見えない物質が大きく関わっており、その働きをシミュレートするには、宇宙初期の微小なダークマターの密度の揺らぎ(ムラ)を粒子で表現し、粒子間で働く重力を計算することによりハロー(銀河を球状に包み込む希薄な星間物質などの星の成分)や大規模構造がどのように形成され進化してきたかを見るという方法が用いられている。

  1. 「Uchuu」シミュレーションで得られた現在の宇宙でのダークマター分布。図中の囲みは、このシミュレーションで形成した最も大きな銀河団サイズのハローを中心とする領域を、順々に拡大しており、最後の図は一辺約0.5億光年に相当する(クレジット:石山智明)

    「Uchuu」シミュレーションで得られた現在の宇宙でのダークマター分布。図中の囲みは、このシミュレーションで形成した最も大きな銀河団サイズのハローを中心とする領域を、順々に拡大しており、最後の図は一辺約0.5億光年に相当する(クレジット:石山智明)

動画は、シミュレーションで形成した、最も大きな銀河団サイズのハローを中心とする領域の、ダークマター分布を可視化したもの。初期密度揺らぎが重力で成長し、無数のダークマターハローが形成する様子と(47秒まで)、現在時刻におけるそのハロー周辺の様子(47秒以降)(クレジット:石山智明、中山弘敬、国立天文台4次元デジタル宇宙プロジェクト)

そこでは、ダークマターを示す粒子の数が多いほど広い空間を表現でき、粒子の質量を小さくするほど高い分解能が得られるのだが、これまで世界中で行われてきたシミュレーションでは、コンピューターやプログラムの制約により、そのどちらかが不足していたため、観測結果と直接比較することが難しかった。そこで千葉大学とスペインのアンダルシア天文物理学研究所を中心とする国際研究チームは、国立天文台のスーパーコンピューター「アテルイII」の全システム(4万200の CPUコア)を投入し、世界最大規模のシミュレーションを行った。

このシミュレーションは「Uchuu」(宇宙)と名付けられ、一辺96億光年という広大な空間で、粒子2兆1000億体という高精度模擬カタログに必要な質量分解能を両立させた。このシミュレーションのデータ量は3PB(ペタバイト)にのぼるが、これを100TBまで大幅に圧縮し、クラウド上で公開。これにより、有用な模擬カタログの整備が加速されるという。

アテルイIIは、Cray製のXC50スーパーコンピューター。論理演算性能は3.087ペタフロップスを誇る(1ペタフロップスは毎秒1000兆回演算を行えることを指す)。岩手県奥州市水沢星ガ丘町の国立天文台水沢キャンパスに設置されている。

天文学専用スーパーコンピュータ「アテルイⅡ」(クレジット:国立天文台)

天文学専用スーパーコンピュータ「アテルイⅡ」。CPUはIntel Xeon Gold 6148 Processor(20コア、2.4GHz)で、システム全体のコア数は4万200(クレジット:国立天文台)