「量子宇宙シミュレーションセンター」(仮称)構想 平成22年度~

Report
次世代スーパーコンピュータ戦略プログラム・分野5「物質と宇宙の起源と構造」
科研費新学術領域「素核宇宙融合による計算科学に基づいた重層的物質構造の解明」合同シンポジウム
「次世代スーパーコンピュータでせまる物質と宇宙の起源と構造」
課題(7) 惑星・星・星団形成の基礎過程の解明 (責任者:牧野淳一郎)
課題(8) 銀河と超巨大ブラックホール形成の基礎過程の解明 (責任者:梅村雅之)
梅村雅之
筑波大学 計算科学研究センター 素粒子宇宙研究部門
数理物質科学研究科 物理学専攻
種の起源
1859年
チャールズ・ダーウィン
(Charles Darwin)
月の起源
1892年
ジョージ・ダーウィン(George Darwin)
物質の起源-ビッグバン理論-
1948年
ジョージ・ガモフ(George Gamow)
原材料「イーレム」=中性子
1950年
林忠四郎
原材料「イーレム」=中性子+陽子
重元素の起源
太陽
H 70.7%
He 27.4%
C
0.7%
N
0.2%
O
0.2%
Si
0.1%
ビッグバン
H 70.7%
He 27.4%
地球
O
Si
Al
Fe
Ca
Na
H
重元素はいつどのように生まれたのか?
49.5%
25.8%
7.56%
4.70%
3.39%
2.63%
0.83%
宇宙時間
ビッグバン
10-44秒
天体の起源
物質の起源
インフレーション
ダークマター生成
QCD相転移
10-4秒
陽子,中性子形成
軽元素合成
(水素,ヘリウム ,... )
暗宇
黒宙
時
代
宇宙中性化
密度ゆらぎ
38万年
⑧
⑥ 初代超新星/GRB ⑨
第一世代天体
小ブラックホール
宇宙再電離
4億年
(酸素, 炭素, 窒素... )
⑨
⑥ 超新星/GRB
初代銀河
元素合成
⑧
原始銀河
宇宙最初の
重元素合成
共進化
⑨
(酸素, 炭素, 窒素, 金属元素, ...)
巨大ブラックホール
H2O
⑦ 星形成
⑨
137億年
(現在)
銀河団
⑦ 惑星系
地球・太陽
星の金属組成
(金属欠乏星)
第一世代星誕生の超高分解能シミュレーション
(Umemura, Suwa, Susa, 2009)
z =30
CDM 宇宙における初代星形成過程の
超高分解能シミュレーション
P3M-GRAPE-SPH 計算
z =20
Baryon mass: 2106M
Dark matter mass: 1107M
3 x 108 particles
for baryon + dark matter
分解能:
z =16
0.07M in dark matter
0.014M in baryon
Mori and Umemura, 2006, Nature, 440, 644
10243 格子流体計算
80,000,000 超新星爆発
シミュレーション
ライマンアルファ天体
(観測)
8000万個の超新星爆発
星形成シミュレーション
惑星形成シミュレーション
4D2U 国立天文台
原子・光・ダークマターの6次元計算
6次元輻射流体力学計算(原子+光)
計算量  N x N y N z  N  N N   N step  20 Pflops hour ( N  200, N step =106 )
6次元ボルツマン方程式(ダークマター)
計算量  N x N y N z  N px N py N pz  N step  20 Pflops hour ( N  200, N step =106 )
星
ダークマター
光
ガス雲
(原子)
6次元宇宙物理学によるブレークスルー
原子
(流体計算)
6次元ボルツマン方程式
6次元輻射流体力学
天体形成史の解明
多波長スペクトル
の直接計算
重力レンズパターン
の詳細計算
光
ダークマター
(輻射輸送計算)
(無衝突ボルツマン計算)
すばる望遠鏡
ALMA計画
多波長・高分解能観測
との直接比較
第一世代天体の6次元輻射流体シミュレーション
z=20
z=12
計算手法:N体ダークマター+輻射流体力学(START)
計算規模:N体=10^12, START=10^8体 1PM/ DISK 10PB/Run
計算資源:次世代スパコン
計算時期:初期
実績、準備状況:2048^3 が天文 XT4 で 1ヶ月。実行性能50%
200万体問題をT2K-Tsukuba 128コアで1ステップ30秒。
波及効果、連携:初代超新星/GRB 小ブラックホール(課題6)
銀河とブラックホール共進化の統合シミュレーション
計算手法:N体(Tree) +流体(SPH)+6次元輻射流体(START)+6次元ボルツマン(PFC)
計算規模:粒子数 N体=10^12体,SPH=10^10体,START =10^8体,
PFC = 256^3 (空間方向)×64^3 (運動量方向) 0.5PY/ DISK 0.1PB/Run
計算資源:分野内計算機あるいは次世代スパコン
計算時期:前期&後期
実績、準備状況:実行性能 30%程度
波及効果、連携:巨大ブラックホール(課題9),星形成(課題7)
5億年
10億年
高精度流体計算
密度揺らぎのパワーの大きさの比
3億年
6次元ボルツマン計算
密度揺らぎの波数
次世代スパコンによる計画
課題(7) 惑星・星・星団形成の基礎過程の解明
N体=10^12体,流体=10^10体
課題(8) 銀河と超巨大ブラックホール形成の基礎過程の解明
流体=10^10体,輻射流体 =10^8体,
ボルツマン= 256^3 (空間方向)×64^3 (運動量方向)
銀河・巨大ブラックホール形成から
星・惑星系形成まで,宇宙の天体形成史を解明

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