MilkyWay@Home

Динамика эволюции звёздного потока Стрельца (кликнуть для воспроизведения)

С середины 2009 года основной целью проекта стало моделирование звёздного потока Стрельца, произошедшего из карликовой эллиптической галактики в созвездии Стрельца и частично пересекающегося с пространством, занимаемым нашей Галактикой. Поток имеет нестабильную орбиту и скорее всего образовался в результате действия приливных сил по мере сближения карликовой галактики с галактикой Млечный Путь. Изучение подобных звёздных потоков и их динамики в перспективе может стать ключом к пониманию структуры, процесса формирования, эволюции и распределения гравитационного потенциала в Млечном Пути и других схожих галактиках, а также прояснить детали формирования приливных хвостов, возникающих при столкновении галактик. Кроме того, полученные результаты способны пролить свет на понимание явления тёмной материи, уточнение формы тёмного гало и его плотности. В процессе дальнейшего развития проекта планируется обратить внимание и на другие звёздные потоки (на данный момент также построены модели потоков Сироты и GD-1[4]).

Модель звёздного потока[5]

Используя данные обзора SDSS, производится разделение неба на области шириной около 2,5 градуса (англ. wedge или stripe). Далее с использованием вероятностных методов производится извлечение первичной информации о приливных потоках (отделение звёзд Галактики от звёзд потока, выполняемое в расчётных заданиях типа «separation»). Затем производится формирование новой равномерно заполненной звёздами области на основании информации о приливном потоке, причём поток в выбранной области условно считается цилиндрическим по форме, а распределение звёзд в нём — гауссовым (звёзды расположены чаще в средине, реже по краям)[6]. Подобный подход вызван тем, что для звёзд, образующих поток, известны координаты на небесной сфере, но неизвестно точное расстояние до каждой из них[7]. Поток в каждой области характеризуется 6 параметрами:

• ${\displaystyle w}$ — вес (процент звёзд в потоке);
• ${\displaystyle \mu }$ — угловое направление в пределах области (англ. angular position in the stripe);
• ${\displaystyle \phi }$, ${\displaystyle \theta }$ и ${\displaystyle r}$ — 3 пространственные координаты (два угла и радиальное расстояние от Земли);
• ${\displaystyle \sigma }$ — мера ширины (англ. measure of width).

Кроме того, каждая область также характеризуется двумя параметрами:

• ${\displaystyle q}$ — мера плоскости галактического сфероида (англ. measure of the flatness of the spheroid);
• ${\displaystyle r_{0}}$ — мера радиуса ядра галактического сфероида (англ. measure of the radius of the spheroid core).

Выбранная модель Галактики не является полной и теоретически может быть расширена за счёт добавления параметров толстого диска и балджа, но в данных исследованиях этого не требуется, так как большинство звёзд потоков находится за пределами плоскости Галактики. Кроме того, звёзды потока и Галактики отличаются по цвету, благодаря чему последние могут быть заранее исключены из рассмотрения [7].

Таким образом, для расчёта в каждой области необходимо отыскание значений ${\displaystyle 2+6n}$ параметров, где ${\displaystyle n}$ — число потоков в области. Во время расчёта сервер приложений отслеживает популяцию из наборов звёзд в выбранной области, каждый из которых принадлежит к одной из возможных моделей Млечного Пути, с целью отыскания численных значений параметров, наиболее адекватно описывающих наблюдаемые данные, с использованием распределённых эволюционных алгоритмов (метод максимального правдоподобия, генетические алгоритмы, метод роя частиц, метод дифференциальной эволюции, марковские цепи и метод Монте-Карло, адаптированные для распределённых вычислений)[8][9][10][11][12][13].

Первой задачей в рамках проекта являлось более точное описание звёздного потока Стрельца по сравнению с известными на тот момент, на что потребовалось несколько месяцев расчёта с использованием грид[14]. Далее аналогичным образом были построены модели других звёздных потоков Сироты и GD-1[4]. Затем Мэттом Ньюби (англ. Matt Newby) было проведено моделирование с целью отыскания значений двух параметров сфероида в пределах всего неба. На основании данных о распределении звёзд в потоках выполняется моделирование динамики движения звёзд в потоках (расчётные задания типа «n-body»).

В ближайшей перспективе результаты моделирования могут дать ответы на два основных вопроса, не имеющих на данный момент однозначного ответа: о расположении и направлении движения звёздного потока Стрельца. Некоторые астрофизики полагают, что поток пройдет в непосредственной близости от нас; другие же уверены, что поток пройдёт выше Солнца (в плоскости Галактики).

Существует также под проект "N-body" (MilkyWay@Home N-Body Simulation). Проект нацелен на создание симуляции столкновения карликовых галактик в гравитационное поле галактики Млечный Путь.

Проект начал развиваться с 2007 года, в 2008 году стали доступны оптимизированные клиентские приложения для 32-битных и 64-битных операционных систем.

К середине 2009 года на рабочие задания, направляемые клиентам, требовалось лишь 2—4 часа расчётов на современных процессорах, однако их обработка должна была быть завершена в кратчайшие сроки (как правило, 3 дня). Это делало проект менее подходящим для компьютеров, не работающих круглосуточно или где пользователи не разрешили вычисление в фоновом режиме. В январе 2010 года разрешённое время обработки задания было увеличено до 8 дней[15].

11 июня 2009 года были разработаны расчётные приложения с поддержкой технологии CUDA для графических процессоров Nvidia[16]. 13 января 2010 года была добавлена поддержка графических процессоров от ATI Technologies, что позволило существенно повысить интегральную производительность проекта[17]. Например, задания, требующие 10 минут вычислений на графическом процессоре ATI Radeon HD 3850 или 5 минут на ATI Radeon HD 4850, вычисляются 6 часов на одном ядре процессора AMD Phenom II с частотой 2,8 ГГц. При этом от видеокарт требуется поддержка операций с плавающей запятой двойной точности.

• Добровольные вычисления
• BOINC
• Млечный Путь
• Гравитационная задача N тел
• Звёздный поток

• Официальный сайт проекта  (англ.)
• PCs Around the World Unite To Map the Milky Way  (англ.)
• http://phys.org/news185028222.html  (англ.)
• Nathan Cole. Maximum Likelihood Fitting of Tidal Streams with Application to the Sagittarius Dwarf Tidal Tails. PhD thesis. Rensselaer Polytechnic Institute. 2009  (англ.)
• Демонстрация работы скринсейвера
• Научные публикации проекта
• Описание проекта на distributed.org.ua  (рус.)
• Travis Desell, Malik Magdon-Ismail, Boleslaw Szymanski, Carlos A. Varela, Benjamin A. Willett, Matthew Arsenault, Heidi Newberg. Evolutionary N-Body Simulations to Determine the Origin and Structure of the Milky Way Galaxy's Halo using Volunteer Computing  (англ.)

Исходный код:

• Исходный код расчётного модуля Separation для CPU
• Исходный код расчётного модуля для nVidia OpenCL CUDA (недоступная ссылка)
• Исходный код расчётного модуля N-body с поддержкой OpenMP

Обсуждение проекта в форумах:

• forum.boinc.ru
• distributed.org.ua