宇宙論計算ソフトウェアの一覧

この宇宙論計算ソフトウェアのリストは 、科学者が宇宙論研究で使用するツールとプログラムをカタログ化したものです。

過去数十年間、加速する技術革新により天文観測機器は大幅に強化され、より正確な観測が可能になり、データ収集の幅と深さが数桁拡大しました。同時に、計算​​能力の飛躍的な成長により、前例のない解像度と精度で詳細を明らかにするコンピューター 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ー シミュレーションを実行し、宇宙論の実験とシミュレーションの両方から得たデータを分析するために、毎年多くの高度な方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、宇宙論のさまざまな分野とトピックで、世界中の研究者によって広く使用されています。

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^{[誰によると? ]} :

• 宇宙論的ボルツマンコード:これらのコードは、宇宙論的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、標準の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。最もよく使用される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。この目的ですぐに使用できるコードには、CosmoMC、^{[11] [12]} AnalyzeThis、^[13] SCoPE ^[14]などがあります。

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に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、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、これが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、宇宙の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 ^{[21] [22]}は、重力 N 体系​​、流体力学、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」、つまりSator Square の謎めいた単語 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 によって作成され、公開されました。その後、Rüdiger Pakmor によって開発が進められ、他の多くの著者によって貢献されました。Arepo コードは非構造化ボロノイ メッシュを使用し、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ました。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いる Arepo は、空間と時間における高いダイナミック レンジをサポートします。^[23]

GIZMO ^{[24]は、フィリップ・F・ホプキンスが}ANSI Cで書いた、柔軟で超並列の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方法を提供します。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方法に見られる一般的なエラーを最小限に抑える新しい方法も導入しています。GADGETから派生したこのコードは（そのため、単語の遊びで「GIZMO」という名前が付けられています）、命名/使用規則と入力/出力の互換性を維持しており、GADGETに慣れている人にとって使いやすいものになっています。^[25]

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等方性境界条件を持つ有限球体内に無限宇宙をモデル化する新しいN体シミュレーション法を実装した無料で利用できるコードです。数値的な単純化のために非現実的な周期境界条件を使用する従来の方法とは異なり、StePSはより観測に沿ったアプローチを提供します。この技術により、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、観測された宇宙の形状と位相に沿った結果が得られます。^[28]

CosmoGRaPH (宇宙論的一般相対性理論と (完全流体 | 粒子) 流体力学) は、完全な一般相対論の設定で宇宙論の問題を調査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さまざまな新しい方法を実装しています。

CMBFAST は、 Uroš SeljakとMatias Zaldarriagaによって開発されたコンピュータ コードです(Edmund Bertschinger、 Chung-Pei Ma 、Paul Bodeによって書かれたボルツマン コードに基づく)。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ードです。このコードが初めて効率的に計算されたのは、新しい半解析的視線アプローチを使用することで、異方性の計算にかかる時間を数日から数分に短縮したためです。

Antony Lewis と Anthony Challinor によるマイクロ波背景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、より高速でより正確になり、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。このコードは、よりユーザーフレンドリーになるように オブジェクト指向方式で書かれています。

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 は完全にオブジェクト指向の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には、グラフィカル ユーザー インターフェイ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。

宇宙線形異方性解析システムの目的は、宇宙における線形摂動の進化をシミュレートし、CMB と大規模構造観測値を計算することです。CLASS は、高パフォーマンスを実現するためにプレーン C で記述されていますが、そのモジュール構造は、読みやすさとモジュール性を高めるために、オブジェクト指向言語のクラスのアーキテクチャと哲学をエミュレートしています。「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。

AnalizeThis は宇宙論学者が使用するパラメータ推定パッケージです。CMBEASY パッケージに付属しています。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 Michael Doran によって開発され、WMAP-5 尤度を使用したパラメータ推定に使用されました。ただし、このコードは 2008 年以降、新しい CMB 実験用に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優れた GUI が付属しています。

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 を使用して、理論的な物質パワースペクトルとCl計算を力ずくで (ただし正確に) 実行します。CosmoMC は、最適化された高速低速サンプリング法とともに、単純なローカル 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厄介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 パッケージには、データの後処理とプロット用のサブルーチンも用意されています。

CosmoMC は 2002 年に Antony Lewis によって作成され、その後、さまざまな宇宙論実験に合わせてコードを最新の状態に保つためにいくつかのバージョンが開発されました。現在、最も使用されている宇宙論パラメータ推定コードです。

SCoPE/Slick 宇宙論パラメータ推定器は、サンタヌ・ダスが C 言語で記述した、新しく開発された宇宙論 MCMC パッケージです。標準のグローバル メトロポリス アルゴリズムとは別に、このコードは、チェーンの受け入れ率を高める「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、チェーンの混合を高速化して改善する「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 Planck データから宇宙論パラメータをより高速に計算できます。

• 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違反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、宇宙の再結合履歴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、任意の指定された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分析が、利用可能な最大のHPCシステムに拡張されることを保証する」ものである。^[30]
• Commander - Commanderは、ギブスサンプリングによる高速かつ効率的なエンドツーエンドのCMB事後探索を実装する最適モンテカルロマルコフチェーン駆動推定器です。Hans Kristian Eriksenらによって開発されました。^[31]

さまざまな宇宙論実験、特にWMAPやPlanckなどの CMB 実験では、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。ただし、パラメータ推定には χ² が必要です。したがって、これらすべての CMB 実験には独自の尤度ソフトウェアが付属しています。

• WMAP 可能性パッケージ
• プランク尤度ソフトウェア