./jisshu-nbody.html

インストールするべきソフトウェアは、「nemo」です。 Nemo はメリーランド大学の Peter Teuben が30年以上にわたって開発・メンテナンスをしている、主に無衝突体系用(ですが、衝突系にも使えるし SPH 等へのサポートもある)のシミュレーションをサポートする様々なツールの複合体です。沢山のプログラムが共通のユーザーインターフェースやファイル形式をもつことで、色々便利なことができるようになっています。

nemo のインストールには、グラフィックパッケージ pgplot のインストールが必要ですが、これは nemo のインストールスクリプトの中で自動的に行われるはずなので、上手くいっていればこれは気にする必要はないはずですが、今回は先に別途インストールします。今回の実習では

glnemo(2)
GalacTICS
pgplot

といったツールを使いますが、これらも必要に応じてインストールします。

glnemo はマルセイユ天文台の Jean-Charles Lambert が開発している、 nemo のファイル用に作られた3次元可視化プログラムです。Linux(Qt が動く UNIX 全般) と Windows の両方で動きますスナップショットファイルの3次元表示や簡単なアニメーション作成には十分に使え、ズーム、回転等を非常に高速に行うことができます。

GalacTICS はバルジ・ディスク・ハローからなる銀河モデルの作成パッケージです。WIP は PGPLOT をインタラクティブに利用するためのプログラムです。

3.1. nemo インストールの前にすること

nemo インストールのためにには、 OS によって、いくつか別の用意が必要になります。ここではまずそれらについて述べます。とはいえ今回 Windows/Linux を前提にします。

MacOS の場合には Nemo の github の Installation のセクションに書いてあるようにやってみて下さい。

3.1.1. Windows/Linux の場合

Windows の場合、 WSL2 上での Linux (Ubuntu 20 または22) の利用が前提になるので、 WSL2 のインストールについて述べます。なお、Ubuntu に X11 およびコンパイラ等がはいっていることが必要なので、既に WSL/Ubuntu を使っている、という人でも、特に X11 が動いていない場合には再度インストールが簡単です。ここが詳しいです。

Windows 10 だと OpenGL 関係が古いのか、上手く動かないものがでてくるので、可能な限り Windows 11 にして下さい。

3.1.1.1. コンパイラ等のインストール

wsl の bash が動いているところで

 sudo apt update
 sudo apt upgrade 
 sudo apt install build-essential coreutils ruby curl  openssh-client
 sudo apt install x11-apps libx11-dev  libxext-dev  gfortran tcsh

3.2. pgplot のインストール

本来、 nemo のインストール中にグラフィックライブラリ pgplot (の最新版の giza-pgplot)がインストールされるのですが、ちょっと上手く動かないので今回は古い pgplot を使います。

まず、nemo をインストールするディレクトリを作ります。これは /home/${USER}/work (${USER} は wsl での自分の user id に置き換わります) とか、適当なものを作って下さい。

実習用の Mattermost から pgplot.tgz をダウンロードし、上の /home/${USER}/work におきます。

  https://mmost.jmlab.jp/jisshuu-e/pl/xejh7banbtbjpbupanm4uz9b7a

からダウンロードできるはずです。

Windows/WSL の関係で、 Windows 側の Edge 等のブラウザでダウンロードすると、 Windows 側の「ダウンロード」フォルダにファイルがあるはずです。この時は

  cd /home/${USER}/work
  cp /mnt/c/Users/yourid_on_win11/Downloads/pgplot.tgz .

でコピーできるはずです。yourid_on_win11 は Windows 側での user id で、 wsl 側と違うかもしれないので注意して下さい。

  ls /mnt/c/Users

で id がなにか確認して下さい。さて、正しく /home/${USER}/work にもってこれたら、まず、

 export PGPLOT_DIR=/home/${USER}/work/pgplot/pgplot-5.2
 export PGPLOT_FONT=/home/${USER}/work/pgplot/pgplot-5.2/grfont.dat
 export PGPLOT_DEV=/xserve
 export LD_LIBRARY_PATH=${PGPLOT_DIR}

を実行し、また、/home/${USER}/.bashrc (bash の場合)に上の4行を追加して下さい。それから

  cd /home/${USER}/work
  tar xvzf pgplot.tgz
  cd pgplot/pgplot-5.2
  make clean
  make
  make cpg

を実行して、

  ./cpgdemo

を実行して下さい。上手くいっていれば

 Graphics device/type (? to see list, default /NULL):

と聞いてくるので

/xs

といれて下さい。これでそれらしい出力が画面にでれば pgplot のインストールは成功です。

 ./cpgdemo

でエラーがでた時も、とりあえず上の export なんとかを実行して、それで上手くいくかどうか確認してみて下さい。

3.3. nemo のインストール

ターミナルウインドウで、/home/${USER}/work に移動し、以下を実行します。

 wget https://teuben.github.io/nemo/install_nemo.sh
 chmod +x install_nemo.sh
 ./install_nemo.sh nemo=$HOME/opt/nemo

これは結構時間かかります。

  (cd src;make -i -j  clean install) >> install.log 2>&1

とでたら Ctrl-C で止めて、

 cd ../opt/nemo
 ./configure --with-yapp=pgplot --with-pgplot-prefix=/home/${USER}/work/pgplot/pgplot-5.2
  make build1;  make build2;   make build3;   make build4;   make check; make bench5
  source nemo_start.sh

と実行して下さい。

 make[1]: Entering directory '/home/yourid/opt/nemo'
 Installing scripts on Wed Sep 14 13:40:03 JST 2022
 By yourid on DESKTOP-D628L1J
 (cd /home/yourid/opt/nemo/src/scripts; make install)
 make[2]: Entering directory '/home/yourid/opt/nemo/src/scripts'
 cp Makefile.lib /home/yourid/opt/nemo/lib
 cp mknemo mkpdoc manlaser nemoman nemobench ldso nemo.version fitsedit fitsmerge nds9 shtool nemo.coverage showvar mir2nemo getline pedit wgetc yapp_query nemoplot nemopars /home/yourid/opt/nemo/bin
 utilities installed
 make[2]: Leaving directory '/home/yourid/opt/nemo/src/scripts'
 Starting at Wed Sep 14 13:40:03 JST 2022, tail -f /home/yourid/opt/nemo/install.log
 (cd src/tutor/main; rm -f maine.o; make -f /home/yourid/opt/nemo/lib/makedefs  maine.o CFLAGS="-v -c")  >> install.log 2>&1
 (cd src;make -i -j  clean  install) >> install.log 2>&1
 (cd usr/dehnen; make -i clean all) >> install.log 2>&1
 ...
 BSF: FAIL   4.865e+16 3.11891e+18 0 2e+20 4111 -
 BSF: EXPECT 4.865e+16 3.11891e+18 -1.96875 2e+20 4111 -
 BSF regressions that are not OK: 2
 TESTSUITE started Wed Sep 14 13:49:47 JST 2022
 TESTSUITE   ended Wed Sep 14 13:50:07 JST 2022
 (source nemo_start.sh; /usr/bin/time src/scripts/nemo.bench mode=5 | tee -a install.log )
 NEMOBENCH: (2022-01-21) bench26978 : nbody0=3072 nbody1=10240 nbody3=1000000 size=256 ften=1 clean=1 bsf=0 tmp=bench26978
 DESKTOP-D628L1J
 Linux DESKTOP-D628L1J 5.10.102.1-microsoft-standard-WSL2 #1 SMP Wed Mar 2 00:30:59 UTC 2022 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux
 Wed Sep 14 13:50:08 JST 2022
 Equal 5sec CPU time per code, no output files to check
 Codes:  directcode [mkplummer] gyrfalcON hackcode1 [mkorbit] orbint potcode treecode1
 Tstop: 4.28*1 5.64*1 7.89*1 787400.0*1 6.66*1 3.00*1 [5sec CPU for each on a 11th Gen Intel(R) Core(TM) i5-1135G7 up to 4.2GHz]
 .1.23
 .456.
 CPU_USAGE  directcode  :  19.87  19.86  0.01  0.00  0.00  4295757653
 CPU_USAGE  gyrfalcON   :  18.67  18.62  0.03  0.00  0.00  4295759643
 CPU_USAGE  hackcode1   :  22.45  22.44  0.01  0.00  0.00  4295761510
 CPU_USAGE  orbint      :  22.16  22.13  0.01  0.00  0.00  4295763756
 CPU_USAGE  potcode     :  20.72  20.53  0.17  0.00  0.00  4295765973
 CPU_USAGE  treecode1   :  20.34  20.32  0.02  0.00  0.00  4295768046
 NEMOBENCH5 score:   241.526
 Cleaning bench26978 (use clean=0 to prevent this)
 124.04user 0.35system 2:04.40elapsed 99%CPU (0avgtext+0avgdata 7328maxresident)k
 32inputs+4080outputs (1major+9036minor)pagefaults 0swaps
 Started: Wed Sep 14 13:39:07 JST 2022
 Ended:   Wed Sep 14 13:52:12 JST 2022
 All done.
 (ba)sh users:  source /home/yourid/opt/nemo/nemo_start.sh  to activate NEMO in your shell
 (t)csh users:  source /home/yourid/opt/nemo/nemo_start.csh to activate NEMO in your shell

というような感じで時々出力がでて、最後に All done がでたら多分大丈夫です。最後にメッセージがでているように、 bash 系のシェルであれば

  source /home/${USER}/opt/nemo/nemo_start.sh

を実行して下さい。

3.4. 簡単な動作確認

ここでは、nemo の基本的な概念の学習を兼ねて、簡単な動作確認をします。

そのために、

mkplummer コマンドで銀河モデルを作り
tsf および snappprint コマンドでファイルの中身(数字)をみて
snapplot コマンドでグラフィック表示し
glnemo2 コマンドで3次元グラフィック表示もやってみる

ということをします。

3.4.1. nemo の基本機能の確認

まず、 nemo のコマンドが使えるような環境設定をする必要があります。これには、色々な環境変数やパスを設定する必要がありますが。 sh 系のシェルに対しては nemo_start というスクリプトが用意されているので、

 source /home/${USER}/opt/nemo/nemo_start.sh

で設定ができます。

このあと、適当な作業ディレクトリに移動します。例えば ~/work/sandbox を使うなら、

 % cd ~work
 % mkdir sandbox
 % cd sandbox

です。次に、以下のコマンドを実行してみます。

 % mkplummer

以下のような出力がでるはずです。

 Insufficient parameters, try 'help=', 'help=?' or 'help=h',
 Usage: mkplummer out=??? nbody=??? ...
 construct a Plummer model

mkplummer に限らず、 nemo のコマンドは基本的にコマンドラインオプションで色々なパラメータを与えます。その中には必須なものがあり、それらが与えられていない、というのが出力の最初の2語 "Insufficient parameters," でいいたかったことと思われます。次に try 'help=', 'help=?' or 'help=h' とあるので次にはそれをやりますが、

 Usage: mkplummer out=??? nbody=??? ...

の行を見ると、 out=???, nbody=??? といったパラメータを指定しないといけなさそうだとわかります。

 % mkplummer help=
 mkplummer out=??? nbody=??? mlow=0 mfrac=0.999 rfrac=22.8042468
 seed=0 time=0.0 zerocm=t scale=-1 quiet=0 massname= massexpr=pow(m,p)
 masspars=p,0.0 massrange=1,1 headline= nmodel=1 VERSION=2.8b

mkplummer "help=?" や mkplummer help=h を実行しても、今一つ暗号めいたメッセージしかでない、思ったことでしょう。しょうがないので、

 % man mkplummer

を実行してみます。途中のほうに、

       out=snapfile             Output data is  written  into  snapfile,  in
                                standard snapshot format.

       nbody=integer            Number  of  particles nobj in Nbody snapshot
                                realization of the Plummer model.

と書いてあるので、 nbody で指定した粒子数のプラマーモデルを、 out で指定したファイルに書いてくれそうです。そこで

 % mkplummer test3 3

と実行してみます。なにもメッセージはでませんが、

 % ls -l
 合計 4
 -rw-r--r-- 1 makino makino 427  8月18日 18:45 test3

といった感じでファイルができているはずです。このファイルの中身はバイナリなので、 cat 等で見ることはできませんが、

 % tsf test3
 char Headline[35] "init_xrandom: seed used 1250588738"
 char History[31] "mkplummer test3 3 VERSION=2.8b"
 set SnapShot
   set Parameters
     int Nobj 3 
     double Time 0.00000 
   tes
   set Particles
     int CoordSystem 66306 
     double Mass[3] 0.333333 0.333333 0.333333 
     double PhaseSpace[3][2][3] 0.789543 -0.771532 -0.263389 -0.220791 
       -0.0611593 0.391509 -0.840700 -0.120641 0.277537 0.416235 
       -0.0746009 0.219864 0.0511569 0.892173 -0.0141488 -0.195444 
       0.135760 -0.611373 
   tes
 tes

で見ることができます。nemo のファイルは単なるバイナリの数字の羅列ではなく、それを作るのに実行したコマンドの履歴等のヘッダ情報と、はいっているデータの実体からなり、実体は、さらに型+名前+データ、という規則的な構造をもっていること、また、「型」に set、つまり「集合」という型を準備することで、構造型のようなものも表現可能にしていることがわかります。

また、質量(Mass)、位置、速度(PhaseSpace) については、それぞれを配列にしているらしい、ということもわかるかと思います。

tsf の出力はそういうわけでなかなか高級なものですが、例えば gnuplot とか mongo とか、様々なプロットパッケージで処理するにはあまり向いていません。そういう出力のためにには snapprint を使います

 % snapprint test3
 ### nemo Debug Info: x y z vx vy vz 
 0.789543 -0.771532 -0.263389 -0.220791 -0.0611593 0.391509 
 -0.8407 -0.120641 0.277537 0.416235 -0.0746009 0.219864 
 0.0511569 0.892173 -0.0141488 -0.195444 0.13576 -0.611373 

 % snapprint test3 options=m,x,y,z,vx,vy,vz
 ### nemo Debug Info: m x y z vx vy vz 
 0.333333 0.789543 -0.771532 -0.263389 -0.220791 -0.0611593 0.391509 
 0.333333 -0.8407 -0.120641 0.277537 0.416235 -0.0746009 0.219864 
 0.333333 0.0511569 0.892173 -0.0141488 -0.195444 0.13576 -0.611373

これは、粒子一つを1行にまとめています。 nemo の特徴として、粒子データから計算したものを出力にできる、ということがあります。

 % snapprint test3 options="vx*vx+vy+vy+vz*vz"
 ### nemo Debug Info: [bodytrans_new: invoking cc +saving .o]
 ### nemo Debug Info: vx*vx+vy+vy+vz*vz 
 0.079709 
 0.0723902 
 0.683496

この場合、粒子データに対して "vx*vx+vy+vy+vz*vz" という式を評価する関数を作り、コンパイルして、自分自身にリンクした上で評価して出力する、という、なかなか気が効いたことをしています。

粒子3個ではつまらないので、増やしてみます。

 % mkplummer test8k 8192

tsf や snapprint で見るにはデータが膨大過ぎるので、グラフィック表示してみます。

 % snapplot test8k

Figure 1: snapplot test8k の出力結果

図 1 が出れば大成功です。折角なので、少し違うことをしてみます。

なお、

 %PGPLOT, PGSCI: no graphics device has been selected

とかいったメッセージが大量にでて、グラフィック表示はされない、ということがあるかもしれません。この時の対応は (unknown label sect:xservertrouble) 節をみてみて下さい。

あと、何も起きないでコマンドが終わったように見える時には、 pgplot のウィンドウがアイコン化されていることがあります。アイコンの中に図 2 があればそれをクリックしてみて下さい。

Figure 2: PGPLOT のアイコン

 % snapplot test8k xvar=r yvar=v xrange=0:5 yrange=0:2

Figure 3: snapplot test8k xvar= ... の出力結果

この場合、x 軸に

, y軸に

をとり、またそれぞれの軸の範囲も指定しています。半径の関数としての速度分布がなんとなくわかるプロットになっています。

3.4.2. glnemo2 の利用

さらに、 glnemo2 を使ってみます。

ここから、 Ubuntu のバージョンに合わせた .dev ファイルをダウンロードして、書いてある通りにすればいいですが、 Windows の側で Edge でダウンロードだと

  cd ~/work
  cp /mnt/c/Users/${USER}/Downloads/glnemo2-1.20.1.ubuntu20.04.x86_64.deb
  sudo apt-get install ./glnemo2-1.20.1.ubuntu20.04.x86_64.deb

でインストールされて

  glnemo2 test8k

でなにか動くはずです。 (Ubuntu 22 であれば適切ばバージョンのファイルにして下さい) そうすると、

Figure 4: glnemo2 の画面。ファイル読み込みの詳細指定

図 4 のウインドウがでます。ここではとりあえず OK をクリックします。

Figure 5: glnemo2 での test8k の表示

図 5 のように粒子データが表示されたら、表示ウインドウにマウスカーソルをいれると、

左ドラッグで回転
マウスホイールでズーム

ができるはずです。色々やってみて下さい。

粒子っぽいものが細い縦線になって上手く表示されない時には、左側のパレットのメニューで Shaders のチェックを外すと上手くいくかもしれません。ここで粒子のサイズを変えることもできます。

これくらいが全部動くなら、基本的な機能は大丈夫なはずです。

3.4.3. mkkd95 のテスト

nemo には Kuijken と Dubinski の作った、 GalactICS という銀河モデル作成パッケージがはいっています。

 %mkkd95 testkd

を実行してみて下さい。 testkd というファイルができていれば OK です。駄目な時には、、、色々調べてみて下さい。

そんなコマンドは知らない、といわれたら

 %mknemo mkkd95

を実行してみて下さい。

mknemo mkkd95がうまく行かないときの対処法 (岩倉さんによる)

    /home/${USER}/opt/nemo/usr/kuijken/GalactICS-exp/srcへ移動する．エディタでMakefile.nemoを開く．この際念のため

$ cp Makefile.nemo Makefile.nemo.origin

とかでバックアップを取る．

    Makefile.nemo 24行目の

MYFLIBS = $(FFLAFS) $(XLIBS) -lpgplot

とあるところを， MYFLIBS = $(FFLAFS) $(XLIBS) -L/home/${USER}/work/pgplot/pgplot-5.2 -lpgplot -lX11

のように修正する．

    多分$ mknemo mkkd95が使えるようになる．

3.5. トラブルシューティング

3.5.1. PGPLOT が動かない

3.5.1.1. sh: 1: /home/yourid/work/pgplot/pgplot-5.2/pgxwin_server: Exec format error がでる

これは pgxwin_server が正しく再コンパイルされてないためなので、

  cd /home/${USER}/work/pgplot/pgplot-5.2
  make -B pgxwin_server