Lista oprogramowania do obliczeń kosmologicznych
Kosmiczne mikrofalowe tło (CMB) to promieniowanie cieplne, które prawdopodobnie pozostało po „ Wielkim Wybuchu ” kosmologii . CMB jest migawką najstarszego światła w naszym wszechświecie , odciśniętego na niebie, gdy wszechświat miał zaledwie 380 000 lat. Pokazuje niewielkie wahania temperatury, które odpowiadają obszarom o nieco innej gęstości, reprezentującym zalążki całej przyszłej struktury: dzisiejsze gwiazdy i galaktyki. Dlatego analiza małych anizotropii w KMPT pomaga nam zrozumieć pochodzenie i sposób ich powstawania losy naszego wszechświata . W ciągu ostatnich kilku dekad nastąpił znaczny postęp w obserwacjach i kilku eksperymentach przeprowadzonych w celu zrozumienia podstawowej struktury wszechświata. Aby analizować dane z różnych eksperymentów kosmologicznych i zrozumieć teoretyczną naturę wszechświata, kosmolodzy opracowują i stosują od lat wiele zaawansowanych metod i programów komputerowych. Oprogramowanie to jest szeroko stosowane przez kosmologów na całym świecie.
Oprogramowanie obliczeniowe stosowane w kosmologii można podzielić na następujące główne klasy.
- Oprogramowanie do generowania i przetwarzania map: Oprogramowanie to służy do przygotowywania map nieba CMB z surowych danych obserwacyjnych. Oprogramowanie HEALPIX służy do generowania i przetwarzania map.
- Kosmologiczne kody Boltzmanna: Kody te są używane do obliczania teoretycznego widma mocy przy danych parametrach kosmologicznych. Kody te są w stanie obliczyć widmo mocy ze standardowego modelu LCDM lub jego pochodnych. Niektóre z najczęściej używanych kodów CMB Boltzmann to CMBFAST, CAMB, CMBEASY, CLASS, CMBAns itp.
- Kosmologiczny estymator parametrów: kody estymacji parametrów służą do obliczania najlepiej dopasowanych parametrów z danych obserwacyjnych. Gotowe do użycia kody dostępne do tego celu to CosmoMC, AnalyzeThis, SCoPE itp.
Oprogramowanie do generowania i przetwarzania map
HEALPix
HEALPix (czasami zapisywany jako Healpix), akronim Hierarchical Equal Area isoLatitude Pixelisation of a 2-sphere, może odnosić się do algorytmu pikselizacji 2-sphere , powiązanego pakietu oprogramowania lub powiązanej klasy projekcji map. Healpix jest szeroko stosowany do generowania losowych map kosmologicznych. Pierwotna motywacja do opracowania HEALPix była koniecznością. WMAP NASA i misja Planck Europejskiej Agencji Kosmicznej produkować zestawy danych wieloczęstotliwościowych wystarczające do budowy map pełnego nieba mikrofalowego nieba z rozdzielczością kątową kilku minut kątowych. Głównymi wymaganiami przy opracowywaniu HEALPix było stworzenie struktury matematycznej, która wspiera odpowiednią dyskretyzację funkcji na kuli w wystarczająco wysokiej rozdzielczości oraz ułatwienie szybkiej i dokładnej analizy statystycznej i astrofizycznej ogromnych zestawów danych pełnego nieba. Mapy HEALPix są wykorzystywane w prawie wszystkich badaniach przetwarzania danych w kosmologii.
Kosmologiczne kody Boltzmanna
CMBFAST
CMBFAST to kod komputerowy opracowany przez Uroša Seljaka i Matiasa Zaldarriagę (oparty na kodzie Boltzmanna napisanym przez Edmunda Bertschingera, Chung-Pei Ma i Paula Bode) do obliczania widma mocy anizotropii kosmicznego mikrofalowego tła. Jest to pierwszy skuteczny program, który to robi, skracając czas potrzebny do obliczenia anizotropii z kilku dni do kilku minut dzięki zastosowaniu nowatorskiego, półanalitycznego podejścia opartego na linii wzroku.
CAMB
Kod dla anizotropii w tle mikrofalowym autorstwa Antony'ego Lewisa i Anthony'ego Challinora. Kod był pierwotnie oparty na CMBFAST. Później wprowadzono kilka ulepszeń, aby uczynić go szybszym, dokładniejszym i zgodnym z obecnymi badaniami. Kod jest napisany w zorientowany obiektowo , aby był bardziej przyjazny dla użytkownika.
CMBEASY
CMBEASY to pakiet oprogramowania napisany przez Michaela Dorana, Georga Robbersa i Christiana M. Müllera. Kod jest oparty na pakiecie CMBFAST. CMBEASY jest w pełni zorientowanym obiektowo C++ . To znacznie upraszcza manipulacje i rozszerzenia kodu CMBFAST. Ponadto potężna klasa Spline może służyć do łatwego przechowywania i wizualizacji danych. Wiele funkcji pakietu CMBEASY jest również dostępnych za pośrednictwem graficznego interfejsu użytkownika. Może to być pomocne w zdobywaniu intuicji, a także w celach instruktażowych.
KLASA
KLASA to nowy kod Boltzmanna opracowany w tej linii. Celem CLASS jest symulowanie ewolucji perturbacji liniowych we wszechświecie oraz obliczanie CMB i obserwowalnych struktur w dużej skali. Jego nazwa pochodzi również od tego, że jest napisana obiektowym stylem, naśladującym pojęcie klasy. Klasy to funkcja programistyczna dostępna np. w C++ i Python , ale wiadomo, że te języki są mniej podatne na wektoryzację/równoległość niż zwykłe C (lub Fortran ), a zatem potencjalnie wolniej. CLASS jest napisany w czystym C w celu uzyskania wysokiej wydajności, jednocześnie organizując kod w kilku modułach, które odtwarzają architekturę i filozofię klas C++, dla optymalnej czytelności i modułowości.
Pakiety estymacji parametrów
Przeanalizuj to
AnalizeThis to pakiet do szacowania parametrów używany przez kosmologów. Jest dostarczany z pakietem CMBEASY. Kod jest napisany w C++ i wykorzystuje algorytm globalnej metropolii do estymacji parametrów kosmologicznych. Kod został opracowany przez Michaela Dorana do szacowania parametrów przy użyciu prawdopodobieństwa WMAP-5. Jednak kod nie został zaktualizowany po 2008 roku dla nowych eksperymentów CMB. Dlatego ten pakiet nie jest obecnie używany przez społeczność badawczą CMB. Pakiet zawiera ładne GUI.
CosmoMC
CosmoMC to silnik Fortran 2003 Markov Monte Carlo (MCMC) do eksploracji kosmologicznej przestrzeni parametrów. Kod wykonuje brutalną siłę (ale dokładną) teoretyczne widmo mocy materii i obliczenia Cl przy użyciu CAMB. CosmoMC wykorzystuje prosty lokalny algorytm Metropolis wraz ze zoptymalizowaną metodą próbkowania szybko-wolno. Ta metoda próbkowania szybko-wolno zapewnia szybszą zbieżność przypadków z wieloma uciążliwymi parametrami, takimi jak Planck. Pakiet CosmoMC zawiera również podprogramy do przetwarzania końcowego i kreślenia danych.
CosmoMC został napisany przez Antony'ego Lewisa w 2002 roku, a później opracowano kilka wersji, aby zachować aktualność kodu z różnymi eksperymentami kosmologicznymi. Jest to obecnie najczęściej używany kod estymacji parametrów kosmologicznych.
Zakres
SCoPE/Slick Cosmological Parameter Estimator to nowo opracowany kosmologiczny pakiet MCMC napisany przez Santanu Dasa w języku C. Oprócz standardowego algorytmu globalnej metropolii kod wykorzystuje trzy unikalne techniki zwane „opóźnionym odrzucaniem”, która zwiększa współczynnik akceptacji łańcucha, „wstępnym pobieraniem”, które pomaga pojedynczemu łańcuchowi działać na równoległych procesorach oraz „aktualizacją kowariancji między łańcuchami” który zapobiega zlepianiu się łańcuchów, umożliwiając szybsze i lepsze mieszanie łańcuchów. Kod umożliwia szybsze obliczanie parametrów kosmologicznych z danych WMAP i Planck.
Inne pakiety
- MADCAP — pakiet analizy obliczeniowej danych anizotropii mikrofalowej opracowany przez Borrilla i in.
- SIToolBox — SI Toolbox to pakiet do szacowania łamania izotropii na niebie CMB. Został opracowany przez Dasa i in. i składa się z kilku podprogramów Fortran i samodzielnych urządzeń, których można użyć do oszacowania współczynników BipoSH z niestatystycznie izotropowych (nSI) map nieba.
- RECFAST — oprogramowanie zostało opracowane przez Seagera, Sasselova i Scotta i służyło do obliczania historii rekombinacji wszechświata. Pakiet jest używany przez kosmologiczne kody Boltzmanna (CMBFast, CAMB itp.)
- TOAST — Time Ordered Astrophysics Scalable Tools, opracowane i zaprojektowane przez Theodore'a Kisnera, Reijo Keskitalo, Julliana Borrilla i in. „Uogólnia problem tworzenia map CMB do redukcji wszelkich wskazanych danych w dziedzinie czasu i zapewnia, że analiza rosnących wykładniczo zbiorów danych skaluje się do największych dostępnych systemów HPC”.
- Commander - Commander jest optymalnym estymatorem napędzanym łańcuchem Monte-carlo Markowa, który wdraża szybką i wydajną kompleksową eksplorację CMB z wykorzystaniem próbkowania Gibbsa. Został opracowany przez Hansa Kristiana Eriksena i in.
Pakiety oprogramowania prawdopodobieństwa
Różne eksperymenty kosmologiczne, w szczególności eksperymenty CMB, takie jak WMAP i Planck , mierzą fluktuacje temperatury na niebie CMB, a następnie mierzą widmo mocy CMB z obserwowanej mapy nieba. Jednak do oszacowania parametru wymagany jest współczynnik χ². Dlatego wszystkie te eksperymenty CMB mają własne oprogramowanie do sprawdzania prawdopodobieństwa.