大規模高解像度シミュレーションを用いた高赤方偏移天体の形成と進化の研究

• Project/Area Number: 23K20863
• Project/Area Number (Other): 21H01122 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 16010:Astronomy-related
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 石山 智明 千葉大学, 情報戦略機構, 准教授 (90616426)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2023: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000); Fiscal Year 2022: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2021: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
• Keywords: ダークマター / 高性能計算 / 理論天文学 / 銀河形成 / 初代星

Outline of Research at the Start

超高解像度宇宙論的構造形成シミュレーションと準解析的モデルを駆使し、高赤方偏移天体の形成と進化、そしてそれらが宇宙の大域的進化に果たす役割を研究する。「富岳」スーパーコンピュータを用いて構造形成シミュレーションを大規模化し、従来は困難であった初代星が誕生するミニハローを分解し、同時に宇宙の大域的構造を追えるシミュレーションを実現する。またデータや高赤方偏移天体の模擬カタログを公開する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、超高解像度宇宙論的ダークマター構造形成シミュレーションと準解析的天体形成モデルを駆使し、高赤方偏移天体の形成と進化、そしてそれらが宇宙の大域的進化に果たす役割を理論的に調べることである。またシミュレーションデータや高赤方偏移天体の模擬カタログをコミュニティに公開する。
2023年度末までに超高解像度宇宙論的ダークマター構造形成シミュレーションの実行と準解析的天体形成モデルを開発した。そして、初代星の質量の定式化法や、星形成を阻害するのに必要な輻射場の実装方法、再結合時のダークマターとバリオン間の相対速度などのパラメータを変更したモデル計算を多数行い、初代星や初代銀河が高赤方偏移宇宙の大域的進化にどのような役割を果たしてきたかを調べた。
また、平行してシミュレーションおよび解析コードの高速化を進めた。富岳スーパーコンピュータのように単一の計算ノード内に多くのCPUコアを有する環境では、ノード内共有メモリ並列の効率が重要である。まず、頻出するソートアルゴリズムを富岳上で最適化した。そして重力計算の標準的なアルゴリズムであるツリー法のツリー構造構築を共有メモリ並列化した。従来型のトップダウン的に構築するものではなく、ボトムアップ的に構築することで性能を大きく改善できた。これらの成果は2本の査読付き欧文論文として出版された。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

予定通り多数のモデル計算の結果が出揃い、結果を論文としてまとめている。またシミュレーション高速化の論文が出版された。

Strategy for Future Research Activity

2024年度は高赤方偏移天体が低赤方偏移宇宙に与える影響を調べるとともに、模擬カタログ公開の準備を進める。また、高赤方偏移に形成した初代星の近傍宇宙における痕跡を理論的に調べる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] アンダルシア天体物理学研究所/マドリード自治大学(スペイン)
• [Int'l Joint Research] バージニア大学(米国)
• [Int'l Joint Research] スウィンバーン工科大学(オーストラリア)
• [Int'l Joint Research] ラ・プラタ国立大学(アルゼンチン)
• [Int'l Joint Research] エクス＝マルセイユ大学(フランス)
• [Int'l Joint Research]
• [Journal Article] Optimizing the gravitational tree algorithm for many-core processors (2023)
  • Author(s): Tokuue Tomoyuki、Ishiyama Tomoaki
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 528 Issue: 1 Pages: 821-832
  • DOI: 10.1093/mnras/stad4001
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dark Matter Halo Properties of the Galactic Dwarf Satellites: Implication for Chemo-dynamical Evolution of the Satellites and a Challenge to Lambda Cold Dark Matter (2023)
  • Author(s): Hayashi Kohei、Hirai Yutaka、Chiba Masashi、Ishiyama Tomoaki
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 953 Issue: 2 Pages: 185-185
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ace33e
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Performance Evaluation of Parallel Sortings on the Supercomputer Fugaku (2023)
  • Author(s): Tokuue Tomoyuki、Ishiyama Tomoaki
  • Journal Title: Journal of Information Processing Volume: 31 Issue: 0 Pages: 452-458
  • DOI: 10.2197/ipsjjip.31.452
  • ISSN: 1882-6652
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ΛCDM halo substructure properties revealed with high-resolution and large-volume cosmological simulations (2023)
  • Author(s): Moline, Angeles; Sanchez-Conde, Miguel A.; Aguirre-Santaella, Alejandra; Ishiyama, Tomoaki; Prada, Francisco; Cora, Sofia A.; Croton, Darren; Jullo, Eric; Metcalf, R. Benton; Oogi, Taira; Ruedas, Jose
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 518 Issue: 1 Pages: 157-173
  • DOI: 10.1093/mnras/stac2930
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Semi-analytical frameworks for subhaloes from the smallest to the largest scale (2022)
  • Author(s): Hiroshima Nagisa、Ando Shin’ichiro、Ishiyama Tomoaki
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 517 Issue: 2 Pages: 2728-2737
  • DOI: 10.1093/mnras/stac2857
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Cosmological simulations in the era of PFS (2024)
  • Author(s): Ishiyama Tomoaki
  • Organizer: 日本天文学会2023春季年会
  • Invited
• [Presentation] Supercomputer simulations of dark matter structure formation in the Universe (2024)
  • Author(s): Ishiyama Tomoaki
  • Organizer: Dark Matter in the Universe: The Present and Future of Galactic Archaeology and Near-field Cosmology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高解像度宇宙論的シミュレーションに基づいた準解析的初代星形成モデルの開発 (2023)
  • Author(s): 石山智明, 平野信吾
  • Organizer: 初代星、初代銀河研究会2023
• [Presentation] 富岳上でのツリー法の最適化 (2023)
  • Author(s): 德植智之, 石山智明
  • Organizer: 「成果創出加速」基礎科学合同シンポジウム
• [Presentation] 大規模シミュレーションて?探る高赤方偏移の構造形成 (2023)
  • Author(s): 石山智明
  • Organizer: 第36回 理論懇シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Public data release of mock catalogs from the Uchuu simulations (2023)
  • Author(s): Ishiyama Tomoaki
  • Organizer: Resolving the Extragalactic Universe with ALMA & JWST
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cosmological simulation I (2023)
  • Author(s): Ishiyama Tomoaki
  • Organizer: Middle-East and Africa School on Large Galaxy Surveys for Cosmology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Cosmological simulation II (2023)
  • Author(s): Ishiyama Tomoaki
  • Organizer: Middle-East and Africa School on Large Galaxy Surveys for Cosmology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Cosmological galaxy formation simulation with the impact of primordial magnetic fields (2022)
  • Author(s): Shohei Aoyama, Shohei Saga, Kentaro Nagamine, Tomoaki Ishiyama
  • Organizer: The 9th East Asian Numerical Astrophysics Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optimization of the tree algorithm on the supercomputer Fugaku (2022)
  • Author(s): Tomoyuki Tokuue, Tomoaki Ishiyama
  • Organizer: The 9th East Asian Numerical Astrophysics Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 原始磁場を考慮した宇宙論的銀河形成シミュレーション (2022)
  • Author(s): 青山尚平, 嵯峨承平, 長峯健太郎, 石山智明
  • Organizer: 第11回観測的宇宙論ワークショップ
• [Presentation] 原始磁場を考慮した宇宙論的銀河形成シミュレーション (2022)
  • Author(s): 青山尚平, 嵯峨承平, 長峯健太郎, 石山智明
  • Organizer: 第３５回 理論懇シンポジウム
• [Presentation] Mock galaxy catalogs at very high redshift from the Uchuu simulations (2022)
  • Author(s): Ishiyama Tomoaki, Prada Francisco, Klypin Anatoly, Peter Berhoozi, Enrique Perez
  • Organizer: 初代星・初代銀河研究会2022
• [Presentation] スレッド並列化されたソートの富岳上での性能評価 (2022)
  • Author(s): 德植智之, 石山智明
  • Organizer: 第184回 ハイパフォーマンスコンピューティング研究会
• [Presentation] The impact of filamentary accretion of subhaloes on the shape and orientation of haloes (2022)
  • Author(s): Ishiyama Tomoaki, Morinaga Yu
  • Organizer: Cosmic Cartography 2022: Exploring the Cosmic Web and Large-Scale Structure
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 富岳による宇宙論的構造形成シミュレーション (2022)
  • Author(s): Ishiyama Tomoaki
  • Organizer: 「富岳で加速する素粒子・原子核・宇宙・惑星」シンポジウム
• [Presentation] 宇宙構造形成の大規模N体シミュレーション: 京、富岳、その先へ (2021)
  • Author(s): Ishiyama Tomoaki
  • Organizer: 第15回アクセラレーション技術発表討論会「富岳による高度科学技術計算」
  • Invited
• [Funded Workshop] Middle-East and Africa School on Large Galaxy Surveys for Cosmology (2023)