# Полное релятивистское образование и статистика ПЧД ## Постановка расчёта и инфраструктура Hetzner **Дата:** 12 сентября 2026 **Статус:** вычислительная спецификация следующего этапа исследования. **Цель:** проверить, существует ли физически реализуемая область параметров, в которой первичные чёрные дыры астероидных масс дают всю тёмную материю, \[ f_{\rm PBH}=1, \] при одновременном воспроизведении наблюдаемой барионной асимметрии. --- ## 1. Что именно нужно вычислить Задача состоит из двух разных уровней, которые нельзя смешивать. ### 1.1. Релятивистский исход одного начального состояния Для заданного начального фазового состояния холодной компоненты \(X\) решатель должен определить: - образуется ли замкнутая маргинально захваченная поверхность; - время образования первого apparent horizon; - массу и, в 3D, угловой момент образовавшейся чёрной дыры; - дальнейшую аккрецию, слияния и потерю массы; - долю \(X\), распавшуюся до и после образования горизонта; - распределение дочернего излучения; - исход при отсутствии горизонта: рассеяние, осциллирующий объект, фазовое перемешивание, неразрешённый исход. **Нельзя** определять образование ПЧД через \(\delta=1\), \(\delta_{\rm lin}=1.686\), максимальную плотность или остановку половинного радиуса. Физический критерий: \[ \theta_+=0,\qquad \theta_-<0 \] на замкнутой поверхности, с последующим контролем её устойчивости и сходимости. ### 1.2. Космологическая статистика таких исходов После того как функция исхода \[ \mathcal C[\omega]\in \{\text{BH},\text{no BH},\text{unresolved}\} \] вычисляется для начального состояния \(\omega\), необходимо усреднить по **правильной мере начальных условий**. Искомая величина — не «вероятность одного пика», а конечная массовая доля: \[ R_{\rm BH}\equiv \frac{\mathcal M_{\rm BH}}{\mathcal M_{\rm dec}}. \] Для базовых параметров модели условие \(f_{\rm PBH}=1\) требует \[ \boxed{ R_{\rm BH} = \frac{\epsilon_{\rm eff}}{m_XY_B} \frac{\rho_{{\rm DM},0}}{s_0} \simeq1.7\times10^{-14}. } \] Используются: \[ m_X=3\times10^{11}\ {\rm GeV},\qquad \epsilon_{\rm eff}=10^{-3},\qquad Y_B=8.7\times10^{-11}. \] Это **массовое отношение**, а не заранее известная вероятность коллапса. --- ## 2. Полная ковариантная система Холодная компонента после пересечения потоков должна описываться фазовым распределением \(F_X(x^\mu,p^i)\), а не однопоточной пылевой гидродинамикой. ### 2.1. Einstein–Vlasov с распадом \[ p^\mu\partial_\mu F_X -\Gamma^i_{\alpha\beta}p^\alpha p^\beta \frac{\partial F_X}{\partial p^i} = -m_X\Gamma_XF_X. \] Определяем \[ N_X^\mu=\int p^\mu F_X\,dP, \qquad T_X^{\mu\nu}=\int p^\mu p^\nu F_X\,dP. \] Тогда \[ G_{\mu\nu} = 8\pi G\left(T^X_{\mu\nu}+T^R_{\mu\nu}\right), \] \[ \nabla_\mu T_X^{\mu\nu}=-Q^\nu, \qquad \nabla_\mu T_R^{\mu\nu}=Q^\nu. \] Для изотропного распада в системе покоя: \[ Q^\nu=m_X\Gamma_XN_X^\nu. \] ### 2.2. Распад макрочастиц Если частица эволюционируется в координатном времени \(t\), её статистический вес должен изменяться по **собственному времени**: \[ \frac{dw_i}{dt} = -\Gamma_X\frac{\alpha}{\gamma_i}w_i, \] где: - \(\alpha\) — lapse; - \(\gamma_i\) — Lorentz factor частицы относительно нормального наблюдателя среза. Нельзя использовать один общий множитель \(e^{-\Gamma_X t_{\rm cosmic}}\) в сильном поле. Не вводится искусственный drag \(\Gamma_X\mathbf v\). ### 2.3. Дочернее излучение Минимум нужны две предельные реализации: 1. **Tightly coupled radiation** — локальная relativistic radiation fluid. 2. **Collisionless daughters** — Boltzmann/Vlasov transport. Настоящий \(X\)-completion должен выбрать вариант по длине свободного пробега продуктов распада. --- ## 3. Начальные данные Полный расчёт должен получать начальные данные из одной статистической модели, а не из искусственно выбранного Gaussian parent. ### 3.1. Необходимые поля На общей начальной гиперповерхности: - \(\delta_X(\mathbf x)\); - импульс/скорость \(X\); - \(\delta_R(\mathbf x)\); - скорость radiation; - metric perturbations; - внешняя кривизна; - near-scale substructure; - long-wavelength environment/tides. ### 3.2. Статистическая модель Первый контролируемый вариант: - Gaussian primordial spectator field; - заданный \(P_{S_X}(k)\); - линейный response \(S_X\simeq q_X\delta\chi/\Lambda_X\); - явно заданный физический \(k_{\max}\); - явно заданная начальная velocity dispersion/free-streaming scale. Далее необходимо добавить: - nonlinear response \(q_2\chi^2/\Lambda_X^2+\dots\); - primordial non-Gaussianity; - conditional Hessian/shape distribution; - external tidal field. ### 3.3. Критическая недостающая микрофизика До финальной статистики должны быть физически заданы: - производство \(X\); - момент включения \(\chi\)-модуляции; - free-streaming cutoff; - поведение \(f(\phi)\) после inflation; - история \(m_\chi(\phi)\); - каналы распада \(X\); - thermalization/free-streaming daughters; - washout \(W\). Сеточный cutoff не является физическим cutoff. --- ## 4. Численная программа ## Stage A — сферический Einstein–Vlasov + decay ### Цель Найти настоящую границу появления горизонта и проверить, существуют ли вообще коллапсирующие профили рядом с интересующей областью параметров. ### Переменные Сферическая система должна разрешать: \[ F_X(t,r,p_r,L), \] метрику и radiation. Сферическая симметрия не запрещает: - stream crossing; - несколько \(p_r\) при одном \(r\); - распределение \(L\); - фазовое перемешивание. Она запрещает реальную 3D angular substructure, поэтому это **не финальный abundance calculation**. ### Скан Минимальные оси параметров: \[ (\nu,\ \text{profile flatness},\ L_{\rm rms},\ \Gamma_X/H_*,\ k_{\rm cutoff}/k_*,\ \text{daughter closure}). \] Результат: \[ (\text{initial data}) \longrightarrow \{\text{BH},\text{bounce},\text{dispersion},\text{unresolved}\}. \] ### Обязательные тесты - Schwarzschild/Kerr vacuum regression; - homogeneous FLRW \(X+\)radiation+decay; - homogeneous dust collapse до каустики; - known Einstein–Vlasov collapse benchmarks; - \(\Gamma_X\to0\); - weak-field limit v4; - constraint convergence; - horizon mass/time convergence. --- ## Stage B — 3D numerical relativity ### Цель Проверить влияние: - несферичности; - nearby spectral lobes; - tidal field; - multistream substructure; - angular momentum; - central unresolved cores. ### Метод Рекомендуемая архитектура: - BSSN/CCZ4 or equivalent 3+1 metric evolution; - AMR; - particle-mesh/phase-sheet representation of \(X\); - local deposition of \(T_X^{\mu\nu}\); - radiation evolution; - apparent-horizon finder; - checkpoint/restart. ### Минимальная сходимость Для каждого интересного исхода: - минимум 3 spatial resolutions; - минимум 2 particle/phase-space resolutions; - минимум 2 refinement layouts; - минимум 2 outer-boundary positions; - constraint norms; - horizon mass/time convergence. Один найденный horizon без сходимости — не научный результат. --- ## Stage C — статистика редких событий Требуемая массовая доля порядка \(10^{-14}\) делает brute-force Monte Carlo бессмысленным. ### Importance sampling Пусть физическая мера — \(P(\omega)\), а смещённая — \(Q(\omega)\). Вес: \[ w(\omega)=\frac{P(\omega)}{Q(\omega)}. \] Для одинаковых representative volumes: \[ \widehat R= \frac{\sum_i w_iB_i} {\sum_i w_iD_i}, \] где: - \(B_i\) — финальная масса formed horizons; - \(D_i\) — масса \(X\), распавшаяся вне horizons. Для peak-based sampling необходимо дополнительно учитывать: - number density peaks; - representative volume; - nested peaks; - mergers; - exclusion/double counting. ### Практическая стратегия 1. Найти collapse boundary surrogate-моделью. 2. Использовать active learning / rare-event bias вблизи boundary. 3. Валидировать surrogate точными GR runs. 4. Использовать несколько независимых \(Q\), чтобы не пропустить другой collapse channel. 5. Только после этого вычислять mass/spin function и \(R_{\rm BH}\). --- ## 5. Почему production-расчёт не надо строить как большой MPI-кластер Hetzner Стандартные dedicated servers Hetzner имеют обычную Ethernet-сеть; для AX102/AX162 базовый uplink — 1 Gbit/s, 10 Gbit/s доступен как опция для части моделей. Это **не Infiniband/Slingshot-class HPC fabric**. Следствие: - **не рекомендуется** strong scaling одного тесно связанного 3D AMR run на несколько обычных Hetzner nodes; - **рекомендуется** держать один exact GR run внутри одного большого dedicated node; - статистику редких событий масштабировать embarrassingly parallel: - run #1 → node 1; - run #2 → node 2; - … - reducer/statistics job собирает маленькие outcome files. Это значительно лучше соответствует нашей задаче. --- # 6. Требования к Hetzner ## 6.1. VPS/Cloud: только development и 1D Не использовать shared-resource линии CX/CPX/CAX для длинных reproducibility runs. Для CPU-intensive research Hetzner сам рекомендует cloud instances с **Dedicated Resources (CCX)**. ### Минимум для разработки - x86-64; - 8 dedicated vCPU; - 32 GB RAM; - 200–300 GB NVMe; - Ubuntu 24.04 LTS; - IPv6 достаточно, IPv4 опционально; - snapshot перед крупным обновлением. ### Комфортный dev node - 16 dedicated vCPU; - 64 GB RAM; - 300–500 GB NVMe. Использование: - mode equations; - 1D spherical prototypes; - unit tests; - initial-data generator; - statistics/importance-sampling code; - post-processing; - build/CI. **Не планировать production 3D GR на cloud VPS.** --- ## 6.2. Dedicated AX102 — лучший первый физический сервер ### Hetzner AX102 CPU: - AMD Ryzen 9 7950X3D; - 16 cores / 32 threads. Варианты: - AX102-1: 128 GB DDR5; - AX102-2: 192 GB DDR5 ECC; - NVMe: 2×1.92 TB Datacenter Gen4. ### Рекомендация **AX102-1** — минимальный разумный dedicated node. Использование: - full spherical GR; - medium-resolution 3D; - code validation; - 128³–256³ pilot AMR calculations; - profiling; - particle-number scans. Если solver устойчиво потребляет >100 GB RAM: - перейти на AX102-2 192 GB, - либо сразу на AX162. ### Текущая цена Hetzner на 12.09.2026 Без VAT и IPv4: - **AX102-1:** €257.30/month + €129 setup; - **AX102-2:** €547.30/month + €274 setup. Limited AX102-1-LTD при наличии значительно дешевле, но на availability рассчитывать нельзя. --- ## 6.3. AX162-3 — рекомендуемый production single-node ### Hetzner AX162 CPU: - AMD EPYC 9454P; - 48 physical cores / 96 threads; - Zen 4. AX162-3: - **512 GB DDR5 ECC registered RAM**; - **4×3.84 TB NVMe Datacenter**; - raw NVMe capacity ≈15.36 TB; - 1 Gbit/s default uplink; - 10 Gbit/s option available. ### Почему это наш основной production node 512 GB RAM позволяет: - значительно более глубокий AMR; - много state variables; - RK scratch buffers; - particle phase space; - horizon finder; - frequent checkpoints; - параллельный HDF5 output. 48 EPYC cores лучше подходят для длительного MPI/OpenMP solver, чем очень много виртуальных cloud cores. ### Цена на 12.09.2026 Ex VAT/IPv4: - **AX162-3:** €1,597.30/month; - setup: €799. Это дорого для постоянного использования, поэтому сервер рационально брать только после profiling AX102. --- ## 6.4. AX162-2 — промежуточный вариант - AMD EPYC 9454P, 48 cores / 96 threads; - 256 GB ECC RAM; - 2×1.92 TB NVMe. Цена: - **€842.30/month ex VAT**; - setup €419. Подходит, если profiling показывает: \[ 128\ {\rm GB} unit tests +--> 1D GR/Vlasov +--> statistics / initial data | v AX102 reference node | +--> exact spherical outcome map +--> 3D low-res convergence +--> runtime + RAM profiling | v AX162-3 production node(s) | +--> one exact 3D run per node +--> independent importance-sampled states | v small reducer node | +--> weights +--> mass/spin statistics +--> R_BH +--> uncertainty budget ``` Не использовать MPI между независимыми production nodes; параллелизм распределяется **по исходам**, а не по доменам одного run. --- # 20. Итоговая рекомендация ### Если начать сегодня **Не покупать сразу AX162-3.** 1. Поднять CCX dedicated-vCPU VPS для разработки. 2. Довести spherical Einstein–Vlasov+decay до первого проверенного apparent horizon. 3. Взять **AX102-1**. 4. Измерить: - RAM/cell; - particle RAM; - wall time; - I/O; - scaling. 5. Только по измерениям заказать: - AX162-2, если нужно 150–220 GB; - **AX162-3**, если нужно 250–450 GB. 6. Для rare-event statistics запускать несколько **независимых single-node jobs**. ### Главный инфраструктурный вывод \[ \boxed{ \text{Hetzner подходит для single-node GR и embarrassingly-parallel statistics,} } \] но \[ \boxed{ \text{не является оптимальной платформой для tightly coupled multi-node HPC.} } \] Для нашей задачи это приемлемо: дорогая статистика естественно параллелится по независимым начальным состояниям. --- ## 21. Актуальные источники по Hetzner Проверено 12 сентября 2026: - Hetzner Cloud: dedicated-vCPU General Purpose / CCX для постоянной CPU нагрузки: https://www.hetzner.com/cloud/ - Cloud FAQ: dedicated resources и CPU-intensive use: https://docs.hetzner.com/cloud/servers/faq/ - AX102 hardware: https://www.hetzner.com/dedicated-rootserver/ax102/ - AX162 hardware/configurations: https://www.hetzner.com/dedicated-rootserver/ax162/ - AX server configuration table: https://docs.hetzner.com/robot/dedicated-server/server-lines/ax-server/ - Official 15 June 2026 pricing: https://docs.hetzner.com/general/infrastructure-and-availability/price-adjustment/ --- ## 22. Научные основания - W. E. East, *Cosmic Censorship Upheld in Spheroidal Collapse of Collisionless Matter*, arXiv:1901.04498. - E. Ames, H. Andréasson, O. Rinne, *Dynamics of gravitational collapse in the axisymmetric Einstein–Vlasov system*, arXiv:2010.15771. - W. E. East, R. Wojtak, F. Pretorius, *Einstein–Vlasov Calculations of Structure Formation*, arXiv:1908.05683. - J. H. P. Jackson et al., *Stochastic inflation beyond slow roll: noise modelling and importance sampling*, arXiv:2410.13683. - E. de Jong, J. C. Aurrekoetxea, E. A. Lim, *Primordial black hole formation with full numerical relativity*, arXiv:2109.04896. - J. C. Aurrekoetxea, K. Clough, E. A. Lim, *Cosmology using numerical relativity*, arXiv:2409.01939.