Lista de software de computación cosmológica

Esta lista de software de computación cosmológica cataloga las herramientas y programas utilizados por los científicos en la investigación cosmológica.

En las últimas décadas, la acelerada evolución tecnológica ha mejorado profundamente la instrumentación astronómica, permitiendo observaciones más precisas y ampliando la amplitud y profundidad de la recopilación de datos en varios órdenes de magnitud. Al mismo tiempo, el crecimiento exponencial de la potencia computacional ha permitido la creación de simulaciones por computadora que revelan detalles con una resolución y precisión sin precedentes. Para realizar simulaciones por computadora del cosmos y analizar datos de experimentos y simulaciones cosmológicas, cada año se desarrollan muchos métodos avanzados y códigos de software computacional. Estos códigos son ampliamente utilizados por investigadores de todo el mundo, en todos los campos y temas de la cosmología.

El software computacional utilizado en cosmología se puede clasificar en las siguientes clases principales ^{[ ¿según quién? ]} :

• Códigos cosmológicos de Boltzmann: Estos códigos se utilizan para calcular el espectro de potencia teórico dados los parámetros cosmológicos. Estos códigos son capaces de calcular el espectro de potencia a partir del modelo LCDM estándar o sus derivados. Algunos de los códigos de Boltzmann CMB más utilizados son CMBFAST, ^{[1] [2] [3]} CAMB, ^[4] CMBEASY, ^{[5] [6]} CLASS, ^{[7] [8] [9]} CMBAns ^[10] etc.
• Estimador de parámetros cosmológicos: los códigos de estimación de parámetros se utilizan para calcular los parámetros que mejor se ajustan a partir de los datos de observación. Los códigos listos para usar disponibles para este propósito son CosmoMC, ^{[11] [12]} AnalyzeThis, ^[13] SCoPE ^[14], etc.

GADGET , llamado "GAlaxies with Dark matter and Gas intEracT" es un código escrito en C++ para simulaciones cosmológicas de hidrodinámica de N cuerpos / partículas suavizadas (SPH) en computadoras masivamente paralelas con memoria distribuida . ^[15] Su primera versión fue desarrollada por el astrofísico alemán Volker Springel y se publicó en 2000. ^[16] Le siguieron dos versiones públicas oficiales más, con GADGET-2 ^{[17] [18]} lanzada en 2005 y GADGET-4 ^{[19] [20]} lanzada en 2020, que es la versión pública más reciente del paquete de software actualmente. GADGET es capaz de abordar una amplia gama de problemas astrofísicamente interesantes, por ejemplo, la dinámica del medio intergaláctico gaseoso, la formación de estrellas y su regulación por procesos de retroalimentación, la colisión y fusión de galaxias, así como la formación de estructuras a gran escala en el Universo.

AREPO ^{[21] [22]} es un código masivamente paralelo para sistemas gravitacionales de N cuerpos, hidrodinámica y magnetohidrodinámica (MHD). Recibe su nombre de la enigmática palabra AREPO en la oración palindrómica latina "sator arepo tenet opera rotas" , el cuadrado de Sator . La primera versión de AREPO fue escrita y publicada por Volker Springel en 2010, con un desarrollo posterior de Rüdiger Pakmor y contribuciones de muchos otros autores. El código Arepo utiliza una malla de Voronoi no estructurada y fue diseñado para combinar los beneficios de la hidrodinámica de volumen finito y la SPH. Optimizado principalmente para simulaciones cosmológicas, especialmente la formación de galaxias, Arepo admite un alto rango dinámico en el espacio y el tiempo. ^[23]

GIZMO ^[24] es un código de simulación multifísica, flexible y masivamente paralelo, escrito en ANSI C por Philip F. Hopkins. El código ofrece diversos métodos para resolver ecuaciones de fluidos. También introduce métodos novedosos que optimizan la resolución de las simulaciones y minimizan los errores comunes encontrados en métodos anteriores que limitaban la precisión de los solucionadores anteriores. El código, que tiene su origen en GADGET (de ahí el nombre "GIZMO", un juego de palabras), mantiene la compatibilidad en las convenciones de nomenclatura y uso, así como en la entrada y salida, lo que lo hace fácil de usar para quienes están familiarizados con GADGET. ^[25]

StePS, ^{[26] [27]} que significa "Simulaciones cosmológicas proyectadas estereográficamente" es un código disponible de forma gratuita que implementa un nuevo método de simulación de N cuerpos que modela un universo infinito dentro de una esfera finita con condiciones de contorno isotrópicas para seguir la evolución de la estructura a gran escala. A diferencia de los métodos tradicionales, que utilizan condiciones de contorno periódicas poco realistas para lograr una simplicidad numérica, StePS ofrece un enfoque más alineado con la observación. Esta técnica permite realizar simulaciones detalladas de un universo infinito utilizando menos memoria y proporciona resultados que están más en línea con la geometría y la topología del universo observado . ^[28]

CosmoGRaPH (Cosmological General Relativity And (Perfect fluid | Particle) Hydrodynamics) es un código C++ que se utiliza para explorar problemas cosmológicos en un entorno relativista general completo. Fue desarrollado por James Mertens y Chi Tian y se publicó en 2016. El código implementa varios métodos novedosos para resolver numéricamente las ecuaciones de campo de Einstein, incluido un solucionador de N cuerpos, capacidades AMR completas a través de SAMRAI y trazado de rayos .

CMBFAST es un código informático desarrollado por Uroš Seljak y Matias Zaldarriaga (basado en un código de Boltzmann escrito por Edmund Bertschinger, Chung-Pei Ma y Paul Bode) para calcular el espectro de potencia de la anisotropía del fondo cósmico de microondas. Es el primer programa eficiente que logra esta función, reduciendo el tiempo necesario para calcular la anisotropía de varios días a unos pocos minutos mediante un novedoso enfoque semianalítico de línea de visión.

Código para anisotropías en el fondo de microondas de Antony Lewis y Anthony Challinor. El código se basó originalmente en CMBFAST. Posteriormente se realizaron varios desarrollos para hacerlo más rápido, más preciso y compatible con la presente investigación. El código está escrito de manera orientada a objetos para que sea más fácil de usar.

CMBEASY es un paquete de software escrito por Michael Doran, Georg Robbers y Christian M. Müller. El código se basa en el paquete CMBFAST. CMBEASY es un lenguaje C++ totalmente orientado a objetos . Esto simplifica considerablemente las manipulaciones y extensiones del código CMBFAST. Además, se puede utilizar una potente clase Spline para almacenar y visualizar datos fácilmente. Muchas de las características del paquete CMBEASY también son accesibles a través de una interfaz gráfica de usuario. Esto puede resultar útil para adquirir intuición, así como para fines instructivos.

El objetivo del Sistema de Resolución de Anisotropía Lineal Cósmica es simular la evolución de perturbaciones lineales en el universo y calcular el CMB y los observables de estructura a gran escala. CLASS está escrito en C simple para lograr un alto rendimiento, pero su estructura modular emula la arquitectura y la filosofía de las clases en lenguajes orientados a objetos para una mejor legibilidad y modularidad. El nombre "CLASS" también deriva de su estilo orientado a objetos, imitando la noción de una clase.

AnalizeThis es un paquete de estimación de parámetros utilizado por los cosmólogos. Viene con el paquete CMBEASY. El código está escrito en C++ y utiliza el algoritmo de metrópolis global para la estimación de parámetros cosmológicos. El código fue desarrollado por Michael Doran, para la estimación de parámetros utilizando la probabilidad WMAP-5. Sin embargo, el código no se actualizó después de 2008 para los nuevos experimentos del CMB. Por lo tanto, este paquete actualmente no está en uso por la comunidad de investigación del CMB. El paquete viene con una interfaz gráfica de usuario agradable.

CosmoMC es un motor de Monte Carlo de cadena de Markov (MCMC) Fortran 2003 para explorar el espacio de parámetros cosmológicos. El código realiza cálculos teóricos de espectro de potencia de materia y Cl mediante fuerza bruta (pero precisos) utilizando CAMB. CosmoMC utiliza un algoritmo Metropolis local simple junto con un método de muestreo rápido-lento optimizado. Este método de muestreo rápido-lento proporciona una convergencia más rápida para los casos con muchos parámetros molestos como Planck. El paquete CosmoMC también proporciona subrutinas para el posprocesamiento y el trazado de los datos.

CosmoMC fue escrito por Antony Lewis en 2002 y posteriormente se desarrollaron varias versiones para mantener el código actualizado con diferentes experimentos cosmológicos. Actualmente es el código de estimación de parámetros cosmológicos más utilizado.

SCoPE/Slick Cosmological Parameter Estimator es un paquete cosmológico MCMC desarrollado recientemente y escrito por Santanu Das en lenguaje C. Además del algoritmo de metrópolis global estándar, el código utiliza tres técnicas únicas denominadas "rechazo retardado" que aumenta la tasa de aceptación de una cadena, "prebúsqueda" que ayuda a que una cadena individual se ejecute en CPU paralelas y "actualización de covarianza entre cadenas" que evita la agrupación de las cadenas, lo que permite una mezcla más rápida y mejor de las cadenas. El código es capaz de realizar un cálculo más rápido de los parámetros cosmológicos a partir de datos WMAP y Planck.

• MADCAP — Paquete de análisis computacional de datos de anisotropía de microondas desarrollado por Borrill et al.
• SIToolBox — SI Toolbox es un paquete para estimar la violación de la isotropía en el cielo del CMB. Fue desarrollado por Das et al. y consta de varias subrutinas Fortran y herramientas independientes que se pueden utilizar para estimar los coeficientes BipoSH a partir de mapas celestes no estadísticamente isotrópicos (nSI). ^[29]
• RECFAST: software desarrollado por Seager, Sasselov y Scott que se utiliza para calcular la historia de recombinación del universo. El paquete se utiliza en códigos cosmológicos de Boltzmann (CMBFast, CAMB, etc.)
• TOAST — Time Ordered Astrophysics Scalable Tools, desarrollado y diseñado por Theodore Kisner, Reijo Keskitalo, Jullian Borrill et al. "Generaliza el problema de la elaboración de mapas del CMB a la reducción de cualquier dato puntual del dominio del tiempo y garantiza que el análisis de conjuntos de datos de crecimiento exponencial se adapte a los sistemas HPC más grandes disponibles". ^[30]
• Commander - Commander es un estimador óptimo impulsado por cadenas de Markov de Montecarlo que implementa una exploración posterior del CMB de extremo a extremo rápida y eficiente a través del muestreo de Gibbs. Fue desarrollado por Hans Kristian Eriksen et al. ^[31]

Diferentes experimentos cosmológicos, en particular los experimentos CMB como WMAP y Planck , miden las fluctuaciones de temperatura en el cielo CMB y luego miden el espectro de potencia del CMB a partir del mapa celeste observado. Pero para la estimación de parámetros se requiere el χ². Por lo tanto, todos estos experimentos CMB cuentan con su propio software de probabilidad.

• Paquete de probabilidad WMAP
• Software de probabilidad de Planck