Понедельник, 4 марта, 2024
ДомойФизикаУченые используют суперкомпьютер, чтобы разгадать тайны темной материи и эволюции Вселенной

Ученые используют суперкомпьютер, чтобы разгадать тайны темной материи и эволюции Вселенной

- Advertisement -

Исследователи использовали суперкомпьютер Frontera для создания моделей PRIYA, анализа света квазаров для улучшения понимания структуры Вселенной и уточнения ключевых космологических параметров, бросая вызов предыдущим космологическим моделям.

Моделирование спектральных данных леса Лайман-, проведенное суперкомпьютером PRIYA, крупнейшим в своем роде, иллюстрирует крупномасштабную структуру Вселенной.

Далекие квазары сияют, как космические маяки, излучая самый яркий свет во Вселенной. Эти квазары затмевают даже всю нашу Млечный Путь галактика с точки зрения излучения света. Этот огромный свет возникает из-за того, что материя разрывается на части, когда она поглощается сверхмассивной звездой. черная дыра. Космологические параметры служат важнейшим численным инструментом для астрономов, позволяя им отслеживать эволюцию Вселенной через миллиарды лет после Большой взрыв.

Свет квазара раскрывает подсказки о крупномасштабной структуре Вселенной, поскольку он сияет сквозь огромные облака нейтрального газообразного водорода, образовавшиеся вскоре после Большого взрыва и имеющие размер 20 миллионов световых лет в поперечнике и более.

Достижения в области технологий моделирования

Используя данные о свете квазара, суперкомпьютер Frontera, финансируемый Национальным научным фондом (NSF), в Техасском центре перспективных вычислений (TACC) помог астрономам разработать PRIYA, самый большой набор гидродинамических моделей, созданных для моделирования крупномасштабной структуры Вселенной.

«Мы создали новую симуляционную модель для сравнения данных, существующих в реальной Вселенной», — сказал Симеон Берд, доцент кафедры астрономии Калифорнийского университета в Риверсайде.

Frontera компании TACC, самый быстрый академический суперкомпьютер в США, представляет собой вычислительную систему стратегического национального потенциала, финансируемую Национальным научным фондом. 1 кредит

Бёрд и его коллеги разработали PRIYA, которая использует данные оптического света из расширенного спектроскопического исследования барионных колебаний (eBOSS) Слоановского цифрового обзора неба (SDSS). Он и его коллеги опубликовали свою работу, анонсирующую PRIYA в октябре 2023 года, в Журнал космологии и физики астрочастиц (JCAP).

«Мы сравниваем данные eBOSS с различными моделями моделирования с разными космологическими параметрами и разными начальными условиями Вселенной, например, с разной плотностью материи», — объяснил Берд. «Вы находите тот, который работает лучше всего, и насколько далеко от него вы можете уйти, не нарушая разумного согласия между данными и моделированием. Это знание говорит нам, сколько материи во Вселенной или сколько во Вселенной структуры».

Роль ПРИЯ в космологических исследованиях

Пакет моделирования PRIYA связан с крупномасштабным космологическим моделированием, также разработанным Бердом, под названием ASTRID, которое используется для изучения формирования галактик, слияния сверхмассивных черных дыр и периода реионизации на ранних этапах истории Вселенной. . PRIYA идет еще дальше. Он берет информацию о галактике и правила образования черных дыр, найденные в ASTRID, и изменяет начальные условия.

«С помощью этих правил мы можем взять разработанную нами модель, которая соответствует галактикам и черным дырам, а затем изменить начальные условия и сравнить ее с данными леса Лайман- из eBOSS о нейтральном водородном газе», — сказал Берд.

«Лес Лаймана-» получил свое название от «леса» плотноупакованных линий поглощения на графике спектра квазара, возникающих в результате электронных переходов между энергетическими уровнями в атомах нейтрального водорода. «Лес» указывает на распределение, плотность и температуру огромных межгалактических облаков нейтрального водорода. Более того, комковатость газа указывает на присутствие темной материи, гипотетического вещества, которое пока невозможно увидеть, что видно по его наблюдаемому притяжению к галактикам.

Уточнение космологических параметров с помощью PRIYA

Моделирование PRIYA использовалось для уточнения космологических параметров в работе. поданный до JCAP, сентябрь 2023 г., автор: Симеон Берд и его коллеги из Калифорнийского университета в Риверсайде, М. А. Фернандес и Минг-Фенг Хо.

Предыдущий анализ массовых параметров нейтрино не согласовывался с данными космического микроволнового фонового излучения (CMB), описываемого как послесвечение Большого взрыва. Астрономы используют данные реликтового излучения космической обсерватории Планк, чтобы наложить жесткие ограничения на массу нейтрино. Нейтрино — самая распространенная частица во Вселенной, поэтому точное значение их массы представляет собой сложную задачу. важный для космологических моделей крупномасштабной структуры Вселенной.

Суперкомпьютер Frontera TACC помог астрономам разработать PRIYA, самый большой набор гидродинамических моделей, созданных для крупномасштабных структур во Вселенной. Пример спектров леса Лайман-α по свету квазара и соответствующей плотности газа и температуры из моделирования при красном смещении z = 4. Верхняя панель показывает высокое разрешение, нижняя панель показывает низкое разрешение, средняя панель показывает спектры леса Лайман-α. Кредит: DOI: 10.48550/arXiv.2309.03943

«Мы провели новый анализ с использованием симуляций, которые были намного масштабнее и лучше спроектированы, чем все предыдущие. Более ранние расхождения с данными Planck CMB исчезли и были заменены другим напряжением, подобным тому, что наблюдается в других измерениях крупномасштабных структур с низким красным смещением», — сказал Берд. «Основной результат исследования — подтвердить, что напряжение σ8 между измерениями реликтового излучения и слабым линзированием существует вплоть до красного смещения 2, десять миллиардов лет назад».

Одним из хорошо ограниченных параметров исследования PRIYA является σ8, который представляет собой количество структур нейтрального водородного газа в масштабе 8 мегапарсеков, или 2,6 миллиона световых лет. Это указывает на количество сгустков темной материи, плавающих вокруг», — сказал Бёрд.

Другим ограниченным параметром был ns, скалярный спектральный индекс. Это связано с тем, как неповоротливость темной материи меняется в зависимости от размера анализируемой области. Это указывает на то, насколько быстро Вселенная расширялась всего через несколько мгновений после Большого взрыва.

«Скалярный спектральный индекс определяет, как ведет себя Вселенная с самого начала. Вся идея PRIYA состоит в том, чтобы выяснить начальные условия Вселенной и то, как ведет себя физика высоких энергий Вселенной», — сказал Бёрд.

Влияние суперкомпьютеров на космологические исследования

Суперкомпьютеры были необходимы для моделирования PRIYA, объяснил Бёрд, просто потому, что они были очень большими.

«Требования к памяти для моделирования PRIYA настолько велики, что их невозможно разместить ни на чем другом, кроме суперкомпьютера», — сказал Бёрд.

TACC наградил Берда наградой за лидерство в распределении ресурсов для суперкомпьютера Frontera. Дополнительно аналитические расчеты проводились с использованием ресурсов кластера высокопроизводительных компьютеров Калифорнийского университета в Риверсайде.

Моделирование PRIYA на Frontera является одним из крупнейших когда-либо созданных космологических симуляций, требующих более 100 000 ядерных часов для моделирования системы из 3072^3 (около 29 миллиардов) частиц в «коробке» с ребром 120 мегапарсек, или около 3,91 миллиона световых частиц. — лет в поперечнике. Моделирование PRIYA потребовало более 600 000 узловых часов на Frontera.

«Frontera была очень важна для исследования, потому что суперкомпьютер должен был быть достаточно большим, чтобы мы могли довольно легко запустить одну из этих симуляций, а нам нужно было запустить их много. Без чего-то вроде Frontera мы не смогли бы их решить. Дело не в том, что это займет много времени — они просто вообще не смогут бежать», — сказал Бёрд.

Кроме того, система Ranch TACC обеспечивала долговременное хранение данных моделирования PRIYA.

«Ранчо важно, потому что теперь мы можем повторно использовать PRIYA для других проектов. Это может удвоить или утроить наше научное влияние», — сказал Бёрд.

«Наша потребность в большей вычислительной мощности ненасытна», — заключил Бёрд. «Это безумие, что мы сидим здесь, на этой маленькой планете, и наблюдаем за большей частью Вселенной».

Ссылка: «PRIYA: новый набор моделирования лесов Lyman-α для космологии» Симеона Бёрда, Мартина Фернандеса, Минг-Фэн Хо, Махди Кезлу, Резы Монади, Юин Ни, Няньи Чен, Руперта Крофта и Тицианы Ди Маттео, 11 октября 2023, Журнал космологии и физики астрочастиц.
DOI: 10.1088/1475-7516/2023/10/037

Исследование финансировалось Национальным научным фондом и НАСА Главное управление

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме