宇宙論計算ソフトウェアの一覧

このリストには、科学者が宇宙論研究に使用するツールとプログラムがまとめられています。

過去数十年にわたる技術革新の加速により、天文観測機器は飛躍的に向上し、より高精度な観測が可能になり、データ収集の幅と深さは桁違いに広がりました。同時に、計算​​能力の飛躍的な向上により、かつてない解像度と精度で詳細な情報を明らかにするコンピュータシミュレーションの作成が可能になりました。宇宙のコンピュータシミュレーションを実行し、宇宙論実験とシミュレーションの両方から得られたデータを解析するために、毎年多くの先進的な手法と計算ソフトウェアコードが開発されています。これらのコードは、世界中の研究者によって、宇宙論の様々な分野とテーマで利用されています。

宇宙論で使用される計算ソフトウェアは、次の主要なクラスに分類できます。

  • 宇宙論的ボルツマンコード：これらのコードは、宇宙論パラメータが与えられた理論的なパワースペクトルを計算するために使用されます。これらのコードは、標準的なLCDMモデルまたはその派生モデルからパワースペクトルを計算することができます。最もよく使われているCMBボルツマンコードには、CMBFAST、[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] CAMB、[ 4 ] CMBEASY、[ 5 ] [ 6 ] CLASS、[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] CMBAns [ 10 ]などがあります。
  • 宇宙論パラメータ推定器： パラメータ推定コードは、観測データから最適なパラメータを計算するために使用されます。この目的に使用可能なコードとしては、CosmoMC、[ 11 ] [ 12 ] AnalyzeThis、[ 13 ] SCoPE [ 14 ]などがあります。

ニュートン宇宙論シミュレーションコード

ガジェット

GADGETは、「GAlaxies with Dark matter and Gas intEracT」と名付けられ、分散メモリを備えた超並列コンピュータ上で宇宙論的N体/平滑化粒子流体力学（SPH）シミュレーションを行うためのC++で書かれたコードです。[ 15 ]最初のバージョンはドイツの天体物理学者フォルカー・シュプリンゲルによって開発され、2000年に公開されました。[ 16 ]その後、さらに2つの公式公開バージョンがリリースされ、GADGET-2 [ 17 ] [ 18 ]が2005年にリリースされ、GADGET-4 [ 19 ] [ 20 ]が2020年にリリースされました。GADGET-4は現在、ソフトウェアスイートの最新の公開バージョンです。 GADGET は、ガス状銀河間媒体のダイナミクス、星形成とフィードバックプロセスによるその制御、衝突と合体する銀河、宇宙における大規模構造の形成など、天体物理学的に興味深いさまざまな問題に対処することができます。

AREPO

AREPO [ 21 ] [ 22 ]は、重力N体系、流体力学、および磁気流体力学（MHD）のための超並列コードです。ラテン語の回文「sator arepo tenet opera rotas」（サトール方陣）に登場する謎めいた単語「AREPO」にちなんで名付けられました。AREPOの最初のバージョンは2010年にVolker Springelによって作成・公開され、その後Rüdiger Pakmorによって開発が進められ、多くの著者による貢献がありました。Arepoコードは非構造化ボロノイメッシュを利用し、有限体積流体力学とSPHの利点を融合するように設計されています。主に宇宙論シミュレーション、特に銀河形成に最適化されており、Arepoは空間と時間の両方で高いダイナミックレンジをサポートします。[ 23 ]

ラムセス

ギズモ

ギズモ[ 24 ]は、フィリップ・F・ホプキンスによってANSI Cで書かれた、柔軟で超並列なマルチフィジックスシミュレーションコードです。このコードは、流体方程式を解くための多様な手法を提供しています。また、シミュレーションの解像度を最適化し、従来のソルバーの精度を制限していた従来の手法で見られる一般的な誤差を最小限に抑える新しい手法も導入しています。GADGET（そのため、語呂合わせで「GIZMO」という名前が付けられています）から派生したこのコードは、命名規則や使用規則、入出力において互換性を維持しており、GADGETに精通している人にとって使いやすいものとなっています。[ 25 ]

PKDGRAV3

ステップ

StePS [ 26 ] [ 27 ]は、「STEreographically Projected cosmological Simulations」の略で、大規模構造の進化を追跡するために、有限球面内に無限宇宙を等方性境界条件でモデル化する新しいN体シミュレーション手法を実装した無料で利用可能なコードです。数値計算の簡略化のために非現実的な周期境界条件を用いる従来の手法とは異なり、StePSはより観測に基づいたアプローチを提供します。この手法により、より少ないメモリで無限宇宙の詳細なシミュレーションが可能になり、観測された宇宙の幾何学と位相により近い結果が得られます。[ 28 ]

相対論的宇宙論シミュレーションコード

進化

CosmoGRAPH

CosmoGRAPH（宇宙論的一般相対性理論と（完全流体｜粒子）流体力学）は、完全な一般相対論的設定で宇宙論の問題を探求するために使用されるC++コードです。James MertensとChi Tianによって開発され、2016年に公開されました。このコードは、N体ソルバー、SAMRAIによる完全なAMR機能、レイトレーシングなど、 アインシュタイン場の方程式を数値的に解くための様々な新しい手法を実装しています

宇宙論的ボルツマンコード

CMBFAST

CMBFASTは、ウロシュ・セルジャクとマティアス・ザルダリアガによって開発された、宇宙マイクロ波背景放射の異方性のパワースペクトルを計算するためのコンピュータコードです（エドマンド・ベルトシンガー、チュン・ペイ・マ、ポール・ボーデによって書かれたボルツマンコードに基づいています）。これは、宇宙マイクロ波背景放射の異方性の計算にかかる時間を数日から数分に短縮する、効率的なプログラムとしては初めてのものです。新しい半解析的視線アプローチを用いて、異方性の計算にかかる時間を数日から数分に短縮しました

CAMB

アントニー・ルイスとアンソニー・チャリナーによるマイクロ波背景放射の異方性に関するコード。このコードは元々CMBFASTに基づいていました。その後、より高速で正確になり、現在の研究と互換性を持つようにいくつかの開発が行われました。コードはオブジェクト指向で書かれており、よりユーザーフレンドリーになっています

CMBEASY

CMBEASYは、Michael Doran、Georg Robbers、Christian M. Müllerによって書かれたソフトウェアパッケージです。コードはCMBFASTパッケージに基づいています。CMBEASYは完全なオブジェクト指向C++です。これにより、CMBFASTコードの操作と拡張が大幅に簡素化されます。さらに、強力なSplineクラスを使用して、データを簡単に保存および視覚化できます。CMBEASYパッケージの多くの機能は、グラフィカルユーザーインターフェースからもアクセスできます。これは、直感を養うだけでなく、指導目的にも役立ちます

クラス

宇宙線形異方性解析システムの目的は、宇宙における線形擾乱の発展をシミュレートし、宇宙ベース宇宙線（CMB）および大規模構造観測量を計算することです。CLASSは、高いパフォーマンスを実現するためにC言語で記述されていますが、そのモジュール構造はオブジェクト指向言語のクラスのアーキテクチャと原理を模倣しており、可読性とモジュール性が向上しています。「CLASS」という名前も、クラスの概念を模倣したオブジェクト指向スタイルに由来しています。

パラメータ推定パッケージ

AnalyzeThis (CMBEASY) GUIパッケージのスナップショット。このプロットは、MCMC連鎖からの周辺化確率分布を示しています

AnalizeThis

AnalizeThisは、宇宙論研究者が使用するパラメータ推定パッケージです。CMBEASYパッケージに含まれています。コードはC++で記述されており、宇宙論パラメータの推定にはグローバルメトロポリスアルゴリズムを使用しています。このコードは、WMAP-5尤度を用いたパラメータ推定のために、Michael Doranによって開発されました。しかし、2008年以降、新しいCMB実験に合わせてコードは更新されていません。そのため、このパッケージは現在、CMB研究コミュニティでは使用されていません。このパッケージには、使いやすいGUIが付属しています

CosmoMC

CosmoMCは、宇宙論パラメータ空間を探索するためのFortran 2003マルコフ連鎖モンテカルロ（MCMC）エンジンです。このコードは、CAMBを用いて、理論的な物質パワースペクトルとClの計算を総当たり方式（ただし正確）で行います。CosmoMCは、最適化された高速低速サンプリング法とともに、単純な局所メトロポリスアルゴリズムを使用します。この高速低速サンプリング法は、プランクのような多くの不要なパラメータを持つケースでより高速な収束を実現します。CosmoMCパッケージは、データの後処理とプロットのためのサブルーチンも提供します

CosmoMCは2002年にアントニー・ルイスによって作成され、その後、様々な宇宙論実験に対応するために複数のバージョンが開発されてきました。現在、最も多く使用されている宇宙論パラメータ推定コードです。

SCoPE

SCoPE/Slick宇宙論パラメータ推定器は、サンタヌ・ダス氏によってC言語で書かれた、新たに開発された宇宙論的MCMCパッケージです。標準的なグローバルメトロポリスアルゴリズムに加えて、このコードは、チェーンの受理率を向上させる「遅延拒否」、個々のチェーンを並列CPUで実行できるようにする「プリフェッチ」、チェーンのクラスタリングを防ぎ、チェーンのより高速でより良い混合を可能にする「チェーン間共分散更新」という3つの独自の手法を使用しています。このコードは、WMAPおよびプランクデータから宇宙論的パラメータをより高速に計算できます

その他のパッケージ

  • MADCAP — Borrillらによって開発されたマイクロ波異方性データ計算解析パッケージ
  • SIToolBox — SI Toolboxは、CMBスカイにおける等方性破れを推定するためのパッケージです。Dasらによって開発され、いくつかのFortranサブルーチンとスタンドアロン機能で構成されており、非統計的等方性（nSI）スカイマップからBipoSH係数を推定するために使用できます。[ 29 ]
  • RECFAST — Seager、Sasselov、Scottによって開発されたソフトウェアで、宇宙の再結合史を計算するために使用されます。このパッケージは、宇宙論的ボルツマンコード（CMBFast、CAMBなど）で使用されています。
  • TOAST — 時間順序付き天体物理学スケーラブルツール。セオドア・キスナー、レイヨ・ケスキタロ、ジュリアン・ボリルらによって開発・設計された。これは「CMBマップ作成の問題を、任意の時間領域データの削減に一般化し、指数関数的に増加するデータセットの解析を、利用可能な最大のHPCシステムに拡張できるようにする」ものである。[ 30 ]
  • Commander - Commanderは、ギブスサンプリングを用いた高速かつ効率的なエンドツーエンドのCMB事後探索を実現する、最適モンテカルロ・マルコフ連鎖駆動推定器です。Hans Kristian Eriksenらによって開発されました[ 31 ] 。

尤度ソフトウェアパッケージ

様々な宇宙論実験、特にWMAPやPlanckのようなCMB実験は、CMBスカイの温度変動を測定し、観測されたスカイマップからCMBパワースペクトルを測定します。しかし、パラメータ推定にはχ²が必要です。そのため、これらのCMB実験はすべて、独自の尤度ソフトウェアを備えています

参照

注記

  1. ^ Seljak, Uros; Zaldarriaga, Matias (1996). 「宇宙マイクロ波背景放射の異方性への視線アプローチ」.アストロフィジカルジャーナル. 469 : 437–444 . arXiv : astro-ph/9603033 . Bibcode : 1996ApJ...469..437S . doi : 10.1086/177793 . S2CID  3015599
  2. ^ザルダリアガ、マティアス;ウロス・セルジャック。エドモンド・バーツィンガー (1998)。 「非平坦宇宙におけるマイクロ波背景異方性に対する統合的ソリューション」。天体物理学ジャーナル。494 (2): 491–502。arXiv : astro-ph/9704265。Bibcode : 1998ApJ...494..491Z。土井：10.1086/305223。S2CID 15966880。 
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