GCS-Supercomputer helfen bei der Erstellung eines ersten Bildes von

Im April 2019 wird die Event-Horizon-Teleskop (EHT) Collaboration enthüllte das allererste Bild, das die Existenz eines Schwarzen Lochs bestätigt. Das Bild zeigt an das Schwarze Loch im Zentrum der fernen Galaxie Messier 87 (M87), die über 50 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt liegt.

Für den außenstehenden Beobachter war die Enthüllung des ersten M87-Bildes der Höhepunkt einer mehrjährigen Anstrengung, bei der Ressourcen, Einrichtungen, Fachwissen und Werkzeuge aus der ganzen Welt gebündelt wurden. Die EHT war jedoch noch lange nicht fertig und im Mai 2022 war es soweit enthüllte ein neues Bild eines Schwarzen Lochs, diesmal im Zentrum unserer eigenen Milchstraße.

Astronomen haben die Existenz eines Schwarzen Lochs in der Mitte der Milchstraße postuliert, seit Karl Jansky 1933 das mysteriöse Radiosignal, das aus dem Zentrum unserer Galaxie kommt, Sagittarius A* (Sgr A*) nannte. Bisher konnten Forscher seine Existenz jedoch nicht bestätigen. Durch das Zusammenbringen von Beobachtern der weltweit führenden astronomischen Beobachtungseinrichtungen mit Theoretikern, die Hochleistungsrechnen (HPC) verwenden, um Modelle der Akkretion und Emission von Schwarzen Löchern zu entwickeln, lieferte das EHT endgültige Beweise dafür, dass Janskys Hypothese wahr ist.

Zu den Mitwirkenden des EHT-Konsortiums gehört Prof. Dr. Luciano Rezzolla von der Goethe-Universität Frankfurt, dessen Team HPC-Ressourcen des Höchstleistungsrechenzentrums Stuttgart (HLRS) und des Leibniz-Rechenzentrums (LRZ) nutzte, um hochauflösende Modelle des Schwarzen Lochs zu erstellen. Sowohl das HLRS als auch das LRZ sind Mitgliedszentren des Gauss Center for Supercomputing (GCS).

„Unser Team führt Simulationen durch, um die Gleichungen der allgemein-relativistischen Magnetohydrodynamik (MHD) und des Strahlungstransports zu lösen“, erklärte Rezzolla. „Auf diese Weise können wir Bilder erzeugen, die mathematisch und physikalisch konsistent sind, und die dann mit kommenden Bildern verglichen werden können aus Beobachtungen“, sagte Rezzolla. „Für M87 haben wir ungefähr 60.000 Simulationsbilder gemacht, aber für Sgr A* haben wir fast zwei Millionen produziert.“

Computing zum Zentrum der Galaxie

Obwohl es widersprüchlich erscheint, mussten die EHT-Forscher aufgrund seiner relativen Nähe zur Erde viel mehr Simulationsbilder von Sgr A* erstellen. „Sgr A* ist ein Objekt, das wir aus astronomischer Sicht sehr gut kennen“, sagte Rezzolla. „Es gibt jahrzehntelange Beobachtungen bei vielen verschiedenen Wellenlängen, die unsere theoretischen Modelle einschränken, und wir mussten eine weitaus gründlichere Untersuchung durchführen, um uns davon zu überzeugen, dass das, was wir sahen, ein Schwarzes Loch war. Aus rechnerischer Sicht bedeutet dies, dass viel mehr Simulationen verwendet werden müssen als bei der Modellierung von M87, und zwar nicht nur in Bezug auf Auflösung und physikalischen Zustand, sondern auch in Bezug auf die mikrophysikalische Modellierung, die überarbeitet und erweitert werden musste.“

Während der Arbeit an der M87-Galaxie erfuhren die Forscher, dass eine möglichst generische Kodierung nicht nur sicherstellen würde, dass sie viele der komplexen, möglicherweise unbekannten physikalischen Phänomene rund um ein Schwarzes Loch berücksichtigen, sondern auch, dass sie ihre Methoden darauf anwenden könnten andere Himmelsobjekte wie Sgr A*. Das Team arbeitet auch parallel mit einer Gruppe an der University of Illinois in Urbana-Champaign und am National Center for Supercomputing Applications (NCSA) und hat umfangreiche Anstrengungen unternommen, um zu überprüfen, ob die jeweiligen Berechnungscodes beider Teams darauf ausgelegt sind, die gleichen Ergebnisse zu erzielen wenn die gleichen Eingaben gegeben werden.

Im Wesentlichen verfolgen beide Teams einen ähnlichen Ansatz: Zunächst führen sie detaillierte MHD-Simulationen durch, die Modelle der Dynamik des astrophysikalischen Plasmas erzeugen, wenn es durch die Schwerkraft in das Schwarze Loch gezogen wird. Sobald die Simulationsdaten verfügbar sind, konzentrieren sich die Forscher darauf, Bilder zu entwickeln, die nicht nur die Daten aus Simulationen genau wiedergeben, sondern auch das, was von einem erdgebundenen Observatorium beobachtet werden würde. Diese Bilder werden dann zusammengefügt, um ein Rendering des „Schattens“ des Schwarzen Lochs oder des Musters aus Licht und Plasma zu erstellen, das an den Rändern des Schwarzen Lochs zirkuliert. Da Schwarze Löcher kein Licht aussenden, ist dieser Schatten die einzige Möglichkeit, ihre Anwesenheit tatsächlich zu offenbaren.

GCS-System-Upgrades unterstützen datenintensive Anwendungen

Während das Schwarze Loch Sgr A* schwieriger zu modellieren war als das Schwarze Loch M87, wies Rezzolla auf rechnerische Fortschritte hin, darunter Systeme der nächsten Generation sowohl am HLRS als auch am LRZ, die dem Team halfen, diese zusätzlichen Hürden zu überwinden und seine Modelle effizienter zu erstellen als während der M87-Arbeit. „Wir hatten bessere Codes und bessere Modelle für diese Arbeit sowie Zugang zu besseren Computern durch GCS. Das bedeutete, dass wir viel mehr Modelle fahren konnten als in der Vergangenheit, und dass die Laufzeit teilweise kürzer war. Das hat dazu beigetragen, unsere Analysezeit zu verkürzen“, sagte er. „Wir haben unsere Ergebnisse über M87 im Jahr 2019 veröffentlicht, was bedeutete, dass die meiste Arbeit im Jahr 2018 erledigt wurde, und hier gilt der gleiche Zeitrahmen, sodass Sie bei Maschinen eine Lücke von 4 Jahren sehen und einen großen Leistungssprung sehen können .“

Nach Erreichen dieses wichtigen Meilensteins hat das Team der Goethe-Universität Frankfurt begonnen, seine Forschungsanstrengungen darauf zu konzentrieren, die Lichtpolarität in seinen Simulationen genau zu untersuchen. Astronomen haben mindestens zwei unterschiedliche Theorien über die Rolle, die Magnetfelder spielen, wenn sich Plasma auf einem Schwarzen Loch ansammelt. Indem sie untersuchen, wie sich Licht in diesem Raum bewegt und krümmt, wollen Rezzolla und sein Team unser Verständnis eines Phänomens verbessern, das wir erst zu verstehen beginnen.

Rezzolla gab an, dass das Team in Zukunft enger mit den Mitarbeitern des Benutzersupports in den GCS-Zentren zusammenarbeiten möchte, um den Rechencode zu optimieren, insbesondere um die Vorteile von GPU-Beschleunigern zu nutzen, die zu einer immer wichtigeren Computertechnologie geworden sind, die arbeitenden Forschern helfen kann bei datenintensiveren Anwendungen.

Finanzierung für Hawk wurde vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg und dem Bundesministerium für Bildung und Forschung über das Gauss Center for Supercomputing (GCS) bereitgestellt.

Gefördert wurde SuperMUC-NG durch das Bayerische Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst und das Bundesministerium für Bildung und Forschung über das Gauss Center for Supercomputing (GCS).

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