Wetenschappers gebruiken supercomputers om geheimen van donkere materie en de evolutie van het universum te ontsluiten

By | January 29, 2024

Onderzoekers gebruikten de Frontera-supercomputer om PRIYA-simulaties te maken en quasarlicht te analyseren om het begrip van de structuur van het universum te verbeteren en belangrijke kosmologische parameters te verfijnen, waarmee eerdere kosmologische modellen werden uitgedaagd.

Simulaties van de Lyman 𝛼 Forest-spectrale gegevens uitgevoerd door de PRIYA-supercomputer, de grootste in zijn soort, illustreren de grootschalige structuur van het universum.

Verre quasars schijnen als kosmische bakens en produceren het helderste licht in het universum. Deze quasars overtreffen zelfs ons hele universum Frontera-supercomputer

TACC’s Frontera, de snelste academische supercomputer in de Verenigde Staten, is een strategisch nationaal prestatiecomputersysteem dat wordt gefinancierd door de National Science Foundation. Fotocredit: TACC

Bird en collega’s ontwikkelden PRIYA, dat optische lichtgegevens haalt uit de Sloan Digital Sky Survey (SDSS) Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS). Hij en zijn collega’s publiceerden hun werk waarin PRIYA in oktober 2023 werd aangekondigd Journal of Cosmology en Astrodeeltjesfysica (JCAP).

“We vergelijken eBOSS-gegevens met een verscheidenheid aan simulatiemodellen met verschillende kosmologische parameters en verschillende initiële omstandigheden voor het universum, zoals verschillende materiedichtheden”, legt Bird uit. “Je zoekt uit wat het beste werkt en in hoeverre je daarvan kunt afwijken zonder de redelijke overeenkomst tussen de data en de simulaties te verbreken. Deze kennis vertelt ons hoeveel materie er in het universum is of hoeveel structuur er in het universum is.”

De rol van PRIYA in kosmologisch onderzoek

De PRIYA-simulatiesuite is gekoppeld aan grootschalige kosmologische simulaties genaamd ASTRID, eveneens mede ontwikkeld door Bird, die worden gebruikt om de vorming van sterrenstelsels, superzware fusies van zwarte gaten en de reionisatieperiode vroeg in de geschiedenis van het universum te bestuderen. PRIYA gaat nog een stap verder. Het neemt de informatie over sterrenstelsels en de regels voor de vorming van zwarte gaten uit ASTRID over en verandert de beginvoorwaarden.

“Met deze regels kunnen we het door ons ontwikkelde model dat sterrenstelsels en zwarte gaten vergelijkt, vervolgens de beginvoorwaarden wijzigen en vergelijken met de Lyman-bosgegevens van eBOSS over neutraal waterstofgas”, aldus Bird.

Het “Lyman 𝛼 bos” dankt zijn naam aan het “bos” van dicht opeengepakte absorptielijnen op een grafiek van het quasarspectrum die het resultaat zijn van elektronenovergangen tussen energieniveaus in atomen van neutraal waterstof. Het ‘Bos’ toont de verdeling, dichtheid en temperatuur van gigantische intergalactische neutrale waterstofwolken. Bovendien suggereert de klontering van het gas de aanwezigheid van donkere materie, een hypothetische substantie die nog niet zichtbaar is en kan worden geïdentificeerd aan de hand van de waargenomen aantrekkingskracht ervan op sterrenstelsels.

Verfijning van kosmologische parameters met PRIYA

PRIYA-simulaties werden gebruikt om kosmologische parameters te verfijnen in een artikel dat in september 2023 bij JCAP werd ingediend en werd geschreven door Simeon Bird en zijn collega’s van UC Riverside, MA Fernandez en Ming-Feng Ho.

Eerdere analyses van neutrinomassaparameters kwamen niet overeen met gegevens van de kosmische microgolfachtergrond (CMB), beschreven als de nagloed van de oerknal. Astronomen gebruiken CMB-gegevens van het Plank Space Observatory om de massa van neutrino’s strak te beperken. Neutrino’s zijn de meest voorkomende deeltjes in het universum, dus het bepalen van hun massawaarde is belangrijk voor kosmologische modellen van de grootschalige structuur in het universum.

Lyman α-Forest-spectra

De Frontera-supercomputer van TACC hielp astronomen bij het ontwikkelen van PRIYA, de grootste reeks hydrodynamische simulaties van grootschalige structuren in het universum tot nu toe. Voorbeeld Lyman-α bosspectra van quasarlicht en overeenkomstige gasdichtheid en temperatuur uit simulaties bij roodverschuiving z = 4. Het bovenste paneel toont hoge resolutie, het onderste paneel toont lage resolutie, het middelste paneel toont de Lyman-α bosspectra. Afbeelding tegoed: DOI: 10.48550/arXiv.2309.03943

“We hebben een nieuwe analyse uitgevoerd met simulaties die veel uitgebreider en beter ontworpen waren dan ooit tevoren. “De eerdere discrepanties met de Planck CMB-gegevens verdwenen en werden vervangen door een andere soort, vergelijkbaar met wat wordt waargenomen bij andere grootschalige structurele metingen met lage roodverschuiving”, aldus Bird. “Het belangrijkste resultaat van het onderzoek is de bevestiging dat de σ8-spanning tussen CMB-metingen en zwakke lensvorming bestaat tot roodverschuiving 2,10 miljard jaar geleden.”

Een goed beperkte parameter uit het PRIYA-onderzoek is σ8, wat de hoeveelheid neutrale waterstofgasstructuren is op een schaal van 8 megaparsecs, oftewel 2,6 miljoen lichtjaar. “Dit geeft het aantal klontjes donkere materie aan die rondzweven”, zegt Bird.

Een andere beperkte parameter was ns, de scalaire spectrale index. Dit houdt verband met hoe de zwaarte van donkere materie varieert met de grootte van het geanalyseerde gebied. Het laat zien hoe snel het heelal net na de oerknal uitdijde.

“De scalaire spectrale index bepaalt vanaf het begin hoe het universum zich gedraagt. “Het hele idee van PRIYA is om de beginvoorwaarden van het universum te achterhalen en uit te zoeken hoe de hoge-energiefysica van het universum zich gedraagt,” zei Bird.

De impact van supercomputing op kosmologische studies

Voor de PRIYA-simulaties zijn supercomputers nodig, legt Bird uit, simpelweg omdat ze zo groot zijn.

“De opslagvereisten voor PRIYA-simulaties zijn zo groot dat ze alleen op een supercomputer kunnen worden ondergebracht”, zegt Bird.

TACC heeft Bird een Leadership Resource Allocation toegekend voor de Frontera-supercomputer. Daarnaast werden analytische berekeningen uitgevoerd met behulp van de middelen van het UC Riverside High-Performance Computer Cluster.

De PRIYA-simulaties op Frontera behoren tot de grootste kosmologische simulaties die tot nu toe zijn uitgevoerd. Ze hebben meer dan 100.000 kernuren nodig om een ​​systeem van 3072^3 (ongeveer 29 miljard) deeltjes te simuleren in een “doos” met een randlengte van 120 megaparsecs, oftewel ongeveer 3,91 miljoen lichtjaar in diameter. PRIYA-simulaties verbruikten meer dan 600.000 node-uren op Frontera.

“Frontera was erg belangrijk voor het onderzoek omdat de supercomputer groot genoeg moest zijn om relatief eenvoudig een van deze simulaties te kunnen uitvoeren, en we moesten er veel van doen. Zonder zoiets als Frontera zouden we ze niet kunnen oplossen. Het is niet zo dat het lang zou duren; ze zouden gewoon helemaal niet meer kunnen rennen”, zei Bird.

Bovendien maakte het ranchsysteem van TACC langdurige opslag van PRIYA-simulatiegegevens mogelijk.

“Ranch is belangrijk omdat we PRIYA nu kunnen hergebruiken voor andere projecten. “Dit zou onze wetenschappelijke impact kunnen verdubbelen of verdrievoudigen,” zei Bird.

“Onze honger naar meer rekenkracht is onverzadigbaar”, concludeerde Bird. “Het is gek dat we hier op deze kleine planeet zitten en het grootste deel van het universum observeren.”

Referentie: “PRIYA: een nieuwe suite van Lyman-α bossimulaties voor kosmologie” door Simeon Bird, Martin Fernandez, Ming-Feng Ho, Mahdi Qezlou, Reza Monadi, Yueying Ni, Nianyi Chen, Rupert Croft en Tiziana Di Matteo, 11 oktober 2023, Journal of Cosmology en Astrodeeltjesfysica.
DOI: 10.1088/1475-7516/2023/10/037

Het onderzoek werd gefinancierd door de National Science Foundation

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *