先進的手法を用いた宇宙流体シミュレーションの高速化

• 研究課題/領域番号: 16K13786
• 研究種目: 挑戦的萌芽研究
• 配分区分: 基金
• 研究分野: 天文学
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 富田 賢吾 大阪大学, 理学研究科, 招へい教員 (70772367)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2018年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2017年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2016年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
• キーワード: 宇宙物理学 / シミュレーション / 磁気流体力学 / 偏微分方程式 / 計算物理学 / 数値シミュレーション / 宇宙物理 / 計算物理 / 理論天文学 / 流体

研究成果の概要

本研究では研究代表者が米国Princeton大学と共同で開発しているAthena++コードの高速化と、自己重力ソルバなど新しい物理過程の実装に取り組んだ。動的スケジューリングによる新しい並列化や、現代的なハードウェアに合わせた最適化を行い、50万スレッド以上の非常に大規模な並列計算であっても高い絶対性能と並列性能を両立することに成功した。またFull Multigrid法に基づく自己重力ソルバを実装し、高速な大規模並列自己重力流体力学計算を可能にした。開発したコードやドキュメントはインターネット上で公開し、これを用いた講習会やユーザーズミーティングも行っている。

研究成果の学術的意義や社会的意義

Athena++は輻射磁気流体シミュレーションコードであり、インターネット上で広く一般に公開している。自己重力ソルバを始めとしてAthena++は宇宙物理学の幅広い問題に共通する基礎物理過程を幅広くサポートしており、コードを公開することでコミュニティに貢献している。また本コードを用いた講習会やユーザーズミーティングも開催しており、若手研究者の育成にも重要な役割を果たしている。また優れたシミュレーションコードは現在の宇宙物理学研究のインフラストラクチャと言えるものであり、国際的な共同研究の基盤ともなる。

研究成果

• [国際共同研究] Princeton University/Institute for Advanced Study/University of Virginia(米国)
• [国際共同研究] Princeton University/University of Nevada, Las Vegas/University of Virginia(米国)
• [国際共同研究] Princeton University/University of California(米国)
• [国際共同研究] プリンストン大学/ネヴァダ大学ラスベガス校/カリフォルニア大学バークレー校(米国)
• [雑誌論文] Acceleration and escape processes of high-energy particles in turbulence inside hot accretion flows (2019)
  • 著者名/発表者名: Kimura Shigeo S、Tomida Kengo、Murase Kohta
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 485 号: 1 ページ: 163-178
  • DOI: 10.1093/mnras/stz329
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Giant Protostellar Flares: Accretion-driven Accumulation and Reconnection-driven Ejection of Magnetic Flux in Protostars (2019)
  • 著者名/発表者名: Takasao Shinsuke、Tomida Kengo、Iwasaki Kazunari、Suzuki Takeru K.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal Letters 巻: 878 号: 1 ページ: L10-L10
  • DOI: 10.3847/2041-8213/ab22bb
  • 査読あり
• [雑誌論文] Nonideal MHD Simulation of HL Tau Disk: Formation of Rings (2019)
  • 著者名/発表者名: Hu, X., Zhu, Z., Okuzumi, S., Bai, X.-N., Wang, L., Tomida, K., & Stone, J. M.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 885 号: 1 ページ: 36-36
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab44cb
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Disc formation in magnetized dense cores with turbulence and ambipolar diffusion (2019)
  • 著者名/発表者名: Lam Ka Ho、Li Zhi-Yun、Chen Che-Yu、Tomida Kengo、Zhao Bo
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 489 号: 4 ページ: 5326-5347
  • DOI: 10.1093/mnras/stz2436
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The Early Stage of Molecular Cloud Formation by Compression of Two-phase Atomic Gases (2019)
  • 著者名/発表者名: Iwasaki, Kazunari; Tomida, Kengo; Inoue, Tsuyoshi; Inutsuka, Shu-ichiro
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 873 号: 1 ページ: 21-27
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ab02ff
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Three-dimensional Simulation of a Magnetized Accretion Disk: Fast Funnel Accretion onto a Weakly Magnetized Star (2018)
  • 著者名/発表者名: Takasao Shinsuke、Tomida Kengo、Iwasaki Kazunari、Suzuki Takeru K.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 857 号: 1 ページ: 4-4
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aab5b3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Parametric Study of the Rossby Wave Instability in a Two-dimensional Barotropic Disk. II. Nonlinear Calculations (2018)
  • 著者名/発表者名: Ono Tomohiro、Muto Takayuki、Tomida Kengo、Zhu Zhaohuan
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 864 号: 1 ページ: 70-70
  • DOI: 10.3847/1538-4357/aad54d
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Multigrid gravity solver on AMR for Athena++ (2020)
  • 著者名/発表者名: 富田賢吾
  • 学会等名: 令和元年度 国立天文台 天文シミュレーションプロジェクト ユーザーズミーティング
• [学会発表] Formation and Early Evolution of Protoplanetary Disks (2019)
  • 著者名/発表者名: Kengo Tomida
  • 学会等名: Workshop on Star Formation
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Formation and Early Evolution of Circumstellar Disks (2019)
  • 著者名/発表者名: Kengo Tomida
  • 学会等名: Zooming in on Star Formation
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Global Non-ideal Magnetohydrodynamic Simulations of Protoplanetary Disks (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Tomida, K. Iwasaki, S. Takasao, S. Okuzumi, S. Mori, T. K. Suzuki
  • 学会等名: CCS International Symposium 2019
  • 国際学会
• [学会発表] MHD Simulations with Athena++: from Molecular Clouds to Protoplanetary Disks (2019)
  • 著者名/発表者名: Kengo Tomida
  • 学会等名: Max Planck Princeton Center Workshop 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Inside Athena++ (2019)
  • 著者名/発表者名: Kengo Tomida
  • 学会等名: Athena++ Users and Developers Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Global Non-ideal MHD Simulations of Protoplanetary Disks with Athena++ (2019)
  • 著者名/発表者名: Kengo Tomida
  • 学会等名: 国立天文台CfCAユーザーズミーティング
• [学会発表] Formation of Protostars and Protoplanetary Disks- theoretical aspects of Core2Disk (2018)
  • 著者名/発表者名: Kengo Tomida
  • 学会等名: FROM PRESTELLAR CORES TO SOLAR NEBULAE
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Formation of circumstellar disks and non-ideal magnetohydrodynamic effects (2018)
  • 著者名/発表者名: Kengo Tomida
  • 学会等名: High Energy Density Laboratory Astrophysics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Athena++: a New MHD Simulation Code with Adaptive Mesh Refinement (2018)
  • 著者名/発表者名: Kengo Tomida
  • 学会等名: The 8th East Asian Numerical Astrophysics Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Development of a Full-Multigrid Gravity Solver for Athena++ (2018)
  • 著者名/発表者名: Kengo Tomida, Kazunari Iwasaki, James M. Stone
  • 学会等名: 日本天文学会 2018年春季年会
• [学会発表] Athena++による磁気流体シミュレーション (2017)
  • 著者名/発表者名: 富田賢吾、岩崎一成、高棹真介、奥住聡、James M. Stone
  • 学会等名: ポスト「京」時代の天体形成シミュレーション研究会
• [学会発表] 原始惑星系円盤の形成と初期進化 (2017)
  • 著者名/発表者名: 富田賢吾
  • 学会等名: 宇宙生命計算科学連携拠点第３回ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] Athena++による大規模宇宙磁気流体シミュレーション (2017)
  • 著者名/発表者名: 富田賢吾、James M. Stone
  • 学会等名: PLASMA2017
  • 招待講演
• [学会発表] Development of Full-Multigrid Gravity Solver for Athena++ (2017)
  • 著者名/発表者名: 富田賢吾
  • 学会等名: 国立天文台CfCAユーザーズミーティング
• [学会発表] MHD Simulations of Protoplanetary Disks with Athena++ (2017)
  • 著者名/発表者名: 富田賢吾、高棹真介、岩崎一成、James M. Stone、Zhaohuan Zhu、Xuening Bai
  • 学会等名: ポスト「京」萌芽的課題・計算惑星 第1回 公開シンポジウム
  • 発表場所: 神戸大学
• [学会発表] Current Status of Athena++ (2016)
  • 著者名/発表者名: 富田賢吾
  • 学会等名: 国立天文台CfCAユーザーズミーティング
  • 発表場所: 国立天文台
• [備考] Athena++
  • URL: https://princetonuniversity.github.io/athena/
• [備考] Athena++ 日本語サポートページ
  • URL: https://www.astr.tohoku.ac.jp/~tomida/athena/
• [備考] Athena++日本語サポートページ
  • URL: http://astro-osaka.jp/tomida/athena/
• [備考] Athena++日本語サポートページ
  • URL: http://vega.ess.sci.osaka-u.ac.jp/~tomida/athena/
• [備考] Athena++ Radiation MHD code
  • URL: http://princetonuniversity.github.io/athena/
• [備考] Athena++ Radiation MHD Code
  • URL: http://princetonuniversity.github.io/athena/
• [備考] Athena++ MHD Code 日本語サポートページ
  • URL: http://vega.ess.sci.osaka-u.ac.jp/~tomida/athena/index.html