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計算天体物理学とは、天体物理学研究 において開発・使用される手法および計算ツールを指します。計算化学や計算物理学と同様に、理論天体物理学の特定分野であると同時に、コンピュータ科学、数学、そしてより広範な物理学に依拠する学際的な分野でもあります。計算天体物理学は、多くの場合、博士課程レベルの応用数学または天体物理学プログラムを通じて研究されます。
計算手法を用いる天体物理学の確立された分野には、磁気流体力学、天体放射伝達、恒星および銀河力学、天体流体力学などがある。近年発展し、興味深い成果を上げている分野としては、数値相対性理論が挙げられる。
多くの天体物理学者が研究にコンピュータを使用しており、現在では計算天体物理学に特化した研究グループを持つ天体物理学部門が増えています。重要な研究イニシアチブとしては、米国エネルギー省（DoE）の天体物理学のためのSciDACコラボレーション[ 1 ]や、現在は解散した欧州のAstroSimコラボレーション[ 2 ]などがあります。注目すべき活動中のプロジェクトとしては、宇宙論に焦点を当てた国際的なVirgoコンソーシアムがあります。
2015年8月、国際天文学連合の総会において、 計算天体物理学に関する新たな委員会C.B1が発足し、これにより計算による天文学的発見の重要性が認識された。
計算天体物理学の重要な手法には、粒子セル法（PIC）とその密接に関連する粒子メッシュ法（PM）、N体シミュレーション、モンテカルロ法、そして流体解析のためのグリッドフリー法（平滑化粒子流体動力学（SPH）はその重要な例）とグリッドベース法が含まれる。さらに、常微分方程式（ ODE）や偏微分方程式（ PDE）を解くための数値解析の手法も用いられる。
天体物理学的流れのシミュレーションは、星や星雲など、天文学的に興味深い多くの対象やプロセスがガスを伴うため、特に重要です。流体コンピュータモデルは、超新星、相対論的ジェット、活動銀河、ガンマ線バーストなどの高エネルギー現象を研究するために、放射伝達、（ニュートン）重力、原子核物理学、および（一般）相対性理論と結合されることが多く[ 3 ] 、恒星構造、惑星形成、恒星および銀河の進化、中性子星、パルサー、マグネター、ブラックホールなどのエキゾチックな天体のモデル化にも使用されます[ 4 ] 。コンピュータシミュレーションは、恒星衝突、銀河合体、銀河およびブラックホールの相互作用を研究するための唯一の手段となることがよくあります[ 5 ] [ 6 ] 。
計算天体物理学という分野では、ソフトウェアとハードウェア技術が幅広く利用されています。これらのシステムは高度に専門化されており、専門家によって開発されているため、一般的に（計算）物理学コミュニティ全体ではあまり普及していません。
他の類似分野と同様に、計算天体物理学ではスーパーコンピュータやコンピュータクラスタが広く利用されている。通常のデスクトップコンピュータの規模であっても、ハードウェアの高速化は可能である。天体物理学のために特別に構築されたコンピュータアーキテクチャの中で最も注目すべきものは、日本のGRAPE（重力パイプ）であろう。
2010年現在、DEGIMAなどの最大規模のN体シミュレーションは、グラフィックス処理ユニット上で汎用コンピューティングを実行している。[ 8 ]
多くのコードやソフトウェアパッケージが存在し、それらを維持管理する様々な研究者やコンソーシアムが存在する。ほとんどのコードは、n体問題パッケージまたは何らかの流体ソルバーである傾向がある。n体問題のコードの例としては、ChaNGa、MODEST [ 9 ] 、 nbodylab.org [ 10 ]、Starlab [ 11 ]などがある。
流体力学では、通常、コード間に結合があります。これは、天体物理学的状況では、流体の運動が通常、重力や放射などの他の効果をもたらすためです。たとえば、SPH/N体にはGADGETとSWIFTがあり、[ 12 ]グリッドベース/N体にはRAMSES、[ 13 ] ENZO、[ 14 ] FLASH、[ 15 ]およびARTがあります。[ 16 ]
アミューズ[ 17 ]は、恒星力学、恒星進化、流体力学、放射輸送を扱うための多数の公開されている天文学コードへのインターフェース構造を提供することで、他のパッケージとは異なるアプローチ（ノアの箱舟[ 18 ]と呼ばれる）を採用しています。
初心者／中級者レベル：
上級／大学院レベル：
学術誌（オープンアクセス）：