Forskare använder superdator för att reda ut mysterierna med mörk materia och universums utveckling

By | January 29, 2024

Forskare använde Fronteras superdator för att skapa PRIYA-simuleringar, analysera ljus från kvasarer för att förbättra förståelsen av universums struktur och förfina viktiga kosmologiska parametrar, vilket utmanar tidigare kosmologiska modeller.

Simuleringar av spektraldata från Lyman-𝛼-skogen av superdatorn PRIYA, den största någonsin i sitt slag, illustrerar universums storskaliga struktur.

Avlägsna kvasarer lyser som kosmiska fyrar och producerar det starkaste ljuset i universum. Dessa kvasarer förmörkar till och med hela vår Frontier superdator

TACC Frontier, den snabbaste akademiska superdatorn i USA, är ett strategiskt nationellt datorsystem som finansieras av National Science Foundation. Kredit: TACC

Bird och hans kollegor utvecklade PRIYA, som tar optisk ljusdata från Sloan Digital Sky Survey (SDSS) Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS). Han och hans kollegor publicerade sitt arbete med att tillkännage PRIYA i oktober 2023 i Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP).

“Vi jämförde eBOSS-data med en mängd olika simuleringsmodeller med olika kosmologiska parametrar och olika initiala förhållanden i universum, till exempel olika materiedensiteter,” förklarade Bird. “Du hittar den som fungerar bäst och hur långt du kan gå från det utan att bryta den rimliga överensstämmelsen mellan data och simuleringarna. “Denna kunskap berättar för oss hur mycket materia det finns i universum eller hur mycket struktur det finns i universum.”

PRIYAs roll i kosmologisk forskning

PRIYA-simuleringssviten är kopplad till storskaliga kosmologiska simuleringar som också utvecklats tillsammans av Bird, kallade ASTRID, som används för att studera galaxbildning, sammansmältningen av supermassiva svarta hål och återjoniseringsperioden tidigt i universums historia. . PRIYA går ett steg längre. Ta galaxinformationen och reglerna för bildning av svarta hål som finns i ASTRID och ändra de ursprungliga förutsättningarna.

“Med dessa regler kan vi ta modellen vi utvecklat som matchar galaxer och svarta hål, och sedan ändra de initiala förhållandena och jämföra den med data från eBOSS:s Lyman-𝛼-skog av neutral vätgas,” sa Bird.

'Lyman-𝛼-skogen' har fått sitt namn från 'skogen' av tätt åtskilda absorptionslinjer på en plot av kvasarspektrumet som är ett resultat av elektronövergångar mellan energinivåer i neutrala väteatomer. “Skog” indikerar fördelningen, densiteten och temperaturen hos enorma intergalaktiska moln av neutralt väte. Dessutom indikerar klumpningen av gasen närvaron av mörk materia, en hypotetisk substans som inte kan ses men som framgår av dess observerade attraktion till galaxer.

Förfining av kosmologiska parametrar med PRIYA

PRIYA-simuleringar användes för att förfina kosmologiska parametrar i en artikel som presenterades för JCAP i september 2023 och författad av Simeon Bird och hans UC Riverside-kollegor MA Fernandez och Ming-Feng Ho.

Tidigare analyser av neutrinomassparametrar stämde inte överens med data om den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen (CMB), som beskrivs som efterglöden från Big Bang. Astronomer använder CMB-data från Planks rymdobservatorium för att sätta strikta begränsningar på massan av neutriner. Neutrinos är de vanligaste partiklarna i universum, så att bestämma deras massavärde är viktigt för kosmologiska modeller av universums storskaliga struktur.

Lyman och Forest Wraiths

TACC:s Frontera superdator hjälpte astronomer att utveckla PRIYA, den största uppsättningen hydrodynamiska simuleringar hittills av storskaliga strukturer i universum. Exempel Lyman-α-skogsspektra från kvasarljus och motsvarande gasdensitet och temperatur från simuleringar vid rödförskjutning z = 4. Den övre panelen visar hög upplösning, den nedre panelen visar låg upplösning och den mittersta panelen visar Lyman-α-skogsspektra. Kredit: DOI: 10.48550/arXiv.2309.03943

“Vi gjorde en ny analys med simuleringar som var mycket större och bättre utformade än något tidigare. “De tidigare avvikelserna med Planck CMB-data försvann och ersattes av en annan stam, liknande vad som kan ses i andra mätningar av storskaliga strukturer vid låg rödförskjutning,” sa Bird. “Huvudresultatet av studien är att bekräfta att en σ8-spänning existerar mellan CMB-mätningar och svaga linser fram till rödförskjutning för 2, tio miljarder år sedan.”

En väl begränsad parameter i PRIYA-studien är σ8, vilket är mängden neutrala vätgasstrukturer på en skala av 8 megaparsec, eller 2,6 miljoner ljusår. “Detta indikerar hur många klumpar av mörk materia som flyter runt,” sa Bird.

En annan begränsad parameter var ns, det skalära spektralindexet. Det är relaterat till hur klumpigheten hos mörk materia varierar med storleken på det analyserade området. Den berättar hur snabbt universum expanderade ögonblick efter Big Bang.

”Det skalära spektralindexet bestämmer hur universum beter sig från början. “Hela idén med PRIYA är att bestämma universums initiala villkor och hur universums högenergifysik beter sig,” sa Bird.

Effekten av superdatorer på kosmologiska studier

Superdatorer behövdes för PRIYA-simuleringarna, förklarade Bird, helt enkelt för att de var så stora.

“Minneskraven för PRIYA-simuleringar är så stora att de inte kan placeras på något annat än en superdator,” sa Bird.

TACC tilldelade Bird en ledarskapsresursallokering på Fronteras superdator. Dessutom utfördes analysberäkningar med hjälp av resurserna från UC Riverside High Performance Computing Group.

PRIYA-simuleringarna på Frontera är några av de största kosmologiska simuleringarna hittills, som kräver mer än 100 000 kärntimmar för att simulera ett system med 3072^3 (cirka 29 miljarder) partiklar i en 120 megaparsec “box.” kant, eller cirka 3,91 miljoner ljus. -år bred. PRIYA-simuleringarna förbrukade mer än 600 000 nodtimmar på Frontera.

“Frontera var väldigt viktig för forskningen eftersom superdatorn måste vara tillräckligt stor för att kunna köra en av dessa simuleringar ganska enkelt, och vi behövde köra många av dem. Utan något som Frontera skulle vi inte kunna lösa dem. “Det är inte så att det skulle ta dem lång tid, de skulle helt enkelt inte kunna springa alls,” sa Bird.

Dessutom gav TACCs Ranch-system långtidslagring för PRIYA-simuleringsdata.

“Ranchen är viktig för nu kan vi återanvända PRIYA för andra projekt. “Detta kan fördubbla eller tredubbla vår vetenskapliga inverkan,” sa Bird.

“Vår aptit på mer datorkraft är omättlig”, avslutade Bird. “Det är galet att vi sitter här på den här lilla planeten och tittar på större delen av universum.”

Referens: “PRIYA: a new set of Lyman-α forest simulations for cosmology” av Simeon Bird, Martin Fernandez, Ming-Feng Ho, Mahdi Qezlou, Reza Monadi, Yueying Ni, Nianyi Chen, Rupert Croft och Tiziana Di Matteo, 11 oktober 2023, Journal of Cosmology and Astropartikelfysik.
DOI: 10.1088/1475-7516/2023/10/037

Studien finansierades av National Science Foundation och

Leave a Reply

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