Space-based cosmology with Euclid: the role of High-Performance Computing

L'obiettivo di questa proposta è sfruttare il ruolo cruciale delle simulazioni cosmologiche, basate su codici fortemente paralleli, per massimizzare il ritorno scientifico della missione satellitare Euclid dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA), progettata per far luce sulla natura delle costituenti oscure e sulle condizioni iniziali della vita dell'Universo. Il nostro progetto avrà un duplice obiettivo di: (a) adattare adeguatamente due codici per simulazioni cosmologiche, OpenGADGET e Pinocchio, sviluppati e ampiamente utilizzati dai membri del nostro team, per sfruttare appieno la generazione attuale di infrastrutture HPC pre-esascalariche, preparandosi per la prossima generazione esascalarica; (b) effettuare simulazioni all'avanguardia sulla formazione della struttura cosmica che saranno fondamentali per massimizzare il ritorno scientifico di Euclid, probabilmente l'esperimento cosmologico più avanzato nei prossimi anni. La velocità e la flessibilità del codice Pinocchio, attualmente basato sulla Teoria delle Perturbazioni Lagrangiane, ci consentiranno di effettuare un insieme senza precedenti di simulazioni fittizie di spettroscopia Euclid di galassie. Queste simulazioni saranno fondamentali per calibrare le covarianze cosmologiche e la funzione di selezione delle indagini spettroscopiche di Euclid sulle galassie. Ciò ci permetterà di quantificare con precisione gli errori casuali e sistematici sui parametri cosmologici da derivare dalle proprietà statistiche della distribuzione a grande scala delle galassie. Allo stesso tempo, il codice N-body + idrodinamico OpenGADGET verrà utilizzato per effettuare simulazioni dettagliate di ammassi di galassie contenuti all'interno di ampi volumi cosmologici. Queste simulazioni saranno analizzate con lo scopo specifico di calibrare gli ammassi di galassie come strumenti di precisione per la cosmologia, fornendo così il complemento ideale alla distribuzione a grande scala delle galassie per porre vincoli sui modelli cosmologici. I due principali pilastri su cui si baserà questo progetto possono essere riassunti come segue: (i) la vasta esperienza nel campo della cosmologia computazionale in generale e, in particolare, nello sviluppo e nell'uso dei codici OpenGADGET e Pinocchio, che ha concesso a diversi membri del team ruoli di coordinamento in progetti europei e italiani sulle applicazioni HPC per l'astrofisica; (ii) la solida e a lungo termine esperienza sulle sfruttamento cosmologico delle grandi indagini su galassie e ammassi di galassie, che ha concesso a diversi membri del team ruoli significativi di coordinamento all'interno del Consorzio Euclid, in particolare all'interno dei Gruppi di Lavoro Scientifici del Clustering delle Galassie e degli Ammassi di Galassie. Date le tematiche coperte dal nostro progetto, ossia lo sviluppo di innovative applicazioni scientifiche per moderne strutture HPC e lo sfruttamento scientifico delle infrastrutture spaziali, è perfettamente adatto per il Cluster "Digitale, Industria e Spazio".

The objective of this proposal is to exploit the crucial role of cosmological simulations, based on massively parallel codes, to maximize the scientific return of the Euclid satellite mission of the European Space Agency (ESA) which has been designed to shed light on the nature of dark constituents and on the initial conditions of Universe life. Our project will have the twofold aim of (a) suitably tailoring two codes for cosmological simulations, OpenGADGET and Pinocchio, which have been developed and extensively used by the members of our team, to fully exploit the current generation of pre-exascale HPC infrastructures, while preparing for the forthcoming exascale generation; (b) carrying out state-of-the-art simulations of cosmic structure formation which will be instrumental for maximizing the scientific return of Euclid, arguably the most advanced cosmological experiment in the coming years. The speed and flexibility of the Pinocchio code, which is presently based on Lagrangian Perturbation Theory, will allow us to carry out an unprecedented set of mock Euclid spectroscopic surveys of galaxies. These simulations will be instrumental to calibrate cosmological covariances and the selection function of the Euclid spectroscopic surveys of galaxies. This will allow us to precisely quantify random and systematic errors on cosmological parameters to be derived from the statistical properties of the large-scale distribution of galaxies. At the same time, the N-body + hydrodynamical code OpenGADGET will be used to carry out detailed simulations of galaxy clusters contained within large cosmological volumes. These simulations will be analysed with the specific purpose of calibrating galaxy clusters as precision tools for cosmology, thus providing the ideal complement to the large-scale distribution of galaxies for placing constraints on cosmological models. The two main pillars on which this project will build can be summarized as follows: (i) the large experience in the field of computational cosmology in general, and in particular in the development and use of the OpenGADGET and Pinocchio codes, which granted to several team members coordination roles in European and Italian projects on HPC applications for astrophysics; (ii) the solid and long-term expertise on the cosmological exploitations of large surveys of galaxies and galaxy clusters, which has granted to several of the team members significant coordination roles within the Euclid Consortium, in particular within the Science Working Groups of Galaxy Clustering and of Clusters of Galaxies. Given the themes covered by our project, i.e. development of innovative scientific applications for modern HPC facilities and the scientific exploitation of space-based infrastructures, it is perfectly suited for the “Digital, Industry and Space” Cluster.