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Montag, 6. Februar 2017 - 09:45 Uhr

Astronomie - „Minerva“ wird Gravitationswellen schneller als der bisherige Supercomputer des Instituts berechnen

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Neuer Hochleistungs-Großrechner am Albert-Einstein-Institut in Potsdam

„Minerva“ wird Gravitationswellen schneller als der bisherige Supercomputer des Instituts berechnen

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Am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut, AEI) wurde der neue Supercomputer „Minerva“ in Betrieb genommen. Mit 9.504 Rechnerkernen, 38 TeraByte Arbeitsspeicher und einer Rechenleistung von 320,4 TeraFlop/s ist der Großrechner mehr als sechsmal so leistungsfähig wie das Vorgängermodell. Damit können die Wissenschaftler der Abteilung „Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie“ nun deutlich mehr Gravitationswellenformen berechnen und komplexere Simulationen durchführen.

Minerva soll Einsteins Gleichungen lösen

Der neue Großrechner „Minerva“ der Abteilung „Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie“ am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam-Golm.
Der neue Großrechner „Minerva“ der Abteilung „Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie“ am ...

Der neue Großrechner – benannt nach der römischen Göttin der Weisheit – wird vor allem für die Berechnung von Gravitationswellen verwendet. Wenn massereiche Objekte wie Schwarze Löcher und Neutronensterne verschmelzen, entstehen diese erstmals im September 2015 direkt gemessenen Kräuselungen in der Raumzeit. Um die genauen Wellenformen der abgestrahlten Gravitationswellen zu ermitteln, müssen die Forschenden Einsteins komplizierte, nicht-lineare Feldgleichungen mit numerischen Methoden auf Großrechnern wie Minerva lösen. Das AEI arbeitet seit vielen Jahren an vorderster Front in diesem Bereich und seine Forschenden machen wichtige Beiträge zu den dort verwendeten Software-Werkzeugen.

Um die schwachen Signale im Rauschen des Detektors zu entdecken und um Informationen über die astrophysikalischen und kosmologischen Eigenschaften der Quelle aus ihnen zu ziehen, berechnen die Wissenschaftler die Verschmelzung unterschiedlicher Doppelsysteme wie beispielsweise zwei Schwarze Löcher oder ein Neutronenstern und ein Schwarzes Loch mit unterschiedlichen Kombinationen von Massenverhältnissen und Eigendrehungen.

„Solche Berechnungen sind sehr rechenaufwändig. Die Simulation der ersten von LIGO gemessenen Gravitationswelle dauerte – noch auf unserem vorherigen Großrechner Datura – drei Wochen“, sagt AEI-Direktorin Prof. Alessandra Buonanno. „Minerva ist deutlich schneller. So können wir zügig auf neue Detektionen am Gravitationswellendetektor Advanced LIGO reagieren und auch mehr Signale berechnen.“

Bereit für die zweite Messkampagne der Gravitationswellen-Detektoren

Die Gravitationswellen-Detektoren Advanced LIGO in den USA (aLIGO) und GEO600 in Ruthe bei Hannover haben am 30. November 2016 ihren zweiten Beobachtungslauf („O2“) begonnen. aLIGO ist nun empfindlicher als je zuvor: die Detektoren sind in der Lage, Signale aus einer 20% größeren Entfernung zu detektieren als im ersten Beobachtungslauf O1. Damit erhöht sich die Ereignisrate um mehr als 70%.

Numerische Simulation des Gravitationswellen-Ereignisses GW151226, das von einer Verschmelzung zweier schwarzer Löcher erzeugt wurde. Die Stärke der Gravitationswellen ist durch Höhe der Wellen und deren Farbe angezeigt. Cyan steht dabei für schwache und orange Farbe für starke Felder. Die Größen der schwarzen Löcher und ihr Abstand sind um den Faktor zwei vergrößert, um die Erkennbarkeit zu verbessern. Die Farben auf der Oberfläche der schwarzen Löcher stellen ihre lokalen Verformungen durch Eigenrotation und Gezeitenkräfte dar.
Numerische Simulation des Gravitationswellen-Ereignisses GW151226, das von einer Verschmelzung zweier schwarzer Löcher ... [mehr]

Vor O2 haben Forschende der Abteilung die Fähigkeiten der aLIGO-Detektoren verbessert, Parameter der Gravitationswellenquellen zu beobachten und abzuschätzen. Für die Suche nach Verschmelzungen binärer schwarzer Löcher haben sie ihre Wellenformmodelle verfeinert. Dabei nutzten sie eine Synergie zwischen numerischen und analytischen Lösungen der Einsteinschen Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie. Sie kalibrierten analytische Näherungslösungen (die fast augenblicklich berechnet werden können) mit präzisen numerischen Lösungen (die auch auf leistungsfähigen Computern sehr lange dauern). Dies ermöglicht es den AEI-Forschenden, die verfügbare Rechenleistung effektiver zu nutzen, schneller zu suchen, mehr potenzielle Signale verschmelzender Schwarzer Löcher in O2 zu entdecken und ihre Quellen zu bestimmen. AEI-Forschende haben auch Simulationen von Verschmelzungen binärer Neutronensterne und Bosonensterne durchgeführt. Bei diesen können gleichzeitig elektromagnetische Strahlung und Gravitationswellen beobachtet werden, und sie können für neue präzise Tests der Einsteinschen Relativitätstheorie genutzt werden.

Quelle: MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT, MÜNCHEN


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