Суперкомпьютер Frontera компании TACC помог астрономам разработать PRIYA, крупнейший набор гидродинамических моделей крупномасштабных структур во Вселенной. Пример спектров леса Лайман-α от света квазара и соответствующей плотности и температуры газа из моделирования при красном смещении z = 4. Верхняя панель показывает высокое разрешение; нижняя панель показывает низкое разрешение, а средняя панель показывает спектры леса Лайман-α. Кредит: DOI: 10.48550/arXiv.2309.03943.
Подобно небесному маяку, далекие квазары излучают самый яркий свет во Вселенной. Они излучают больше света, чем вся наша галактика Млечный Путь. Свет исходит от материи, разорванной на части, когда ее поглощает сверхмассивная черная дыра. Космологические параметры являются важными числовыми ограничениями, которые астрономы используют, чтобы проследить эволюцию всей Вселенной через миллиарды лет после Большого взрыва.
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.
Используя данные о свете квазара, суперкомпьютер Frontera в Техасском центре перспективных вычислений (TACC) помог астрономам разработать PRIYA, самый большой набор гидродинамических моделей, созданных для моделирования крупномасштабных структур во Вселенной.
«Мы создали новую симуляционную модель для сравнения данных, существующих в реальной Вселенной», — сказал Симеон Берд, доцент кафедры астрономии Калифорнийского университета в Риверсайде.
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 Журнале космологии и физики астрочастиц (JCAP).
«Мы сравниваем данные eBOSS с различными имитационными моделями 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 структуры в ней. Вселенная».
Визуализация высокой точности при 𝑧 = 2,2. 20 × 20 Мпк/ч трубок по всему ящику 120 Мпк/ч. Прорисовывается линия обзора (высокое разрешение: золото, низкое разрешение: синий) через центр поля моделирования и визуализируются спектры. Цвета обозначают плотность газа, а более красные цвета указывают на более высокую температуру. Показано, что моделирование с низкой точностью достаточно хорошо сходится с высоким. Фото: Журнал космологии и физики астрочастиц (2023). DOI: 10.1088/1475-7516/2023/10/037
Пакет моделирования PRIYA связан с крупномасштабным космологическим моделированием, также разработанным совместно с Бердом, под названием ASTRID, который используется для изучения формирования галактик, слияния сверхмассивных черных дыр и периода реионизации на ранних этапах истории Вселенной. вселенная. 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 о нейтральном водородном газе из леса Лайман-????, полученными с помощью eBOSS», — сказал Бёрд. сказал.
‘Лайман-???? «лес» происходит от «леса» плотно упакованных линий поглощения на графике спектра квазара, возникающих в результате электронных переходов между уровнями энергии в нейтральных атомах 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.
Моделирование PRIYA использовалось для уточнения космологических параметров в работе, представленной в JCAP в сентябре 2023 года и автором которой являются 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 CMB Космической обсерватории Планка, чтобы наложить жесткие ограничения на массу нейтрино.
Нейтрино — самая распространенная частица во Вселенной, поэтому точное определение значения их массы важно для космологических моделей крупномасштабной структуры Вселенной.
«Мы провели новый анализ с помощью моделирования, которое было намного больше и лучше спроектировано, чем раньше. Предыдущие 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 Птица. «Основной результат исследования — подтвердить, что напряжение σ8 между измерениями реликтового излучения и слабым линзированием существует вплоть до красного смещения 2, десять миллиардов лет назад».
«Один хорошо ограниченный параметр исследования PRIYA — это 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 определить начальные условия Вселенной и то, как ведет себя физика высоких энергий Вселенной», — сказал Берд.
Берд объяснил, что суперкомпьютеры были необходимы для моделирования PRIYA 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.
Моделирование PRIYA на Фронтере является одним из крупнейших когда-либо созданных космологических симуляций, требующих более 100 000 часов работы ядра для моделирования системы из 30723 (около 29 миллиардов) частиц в «коробке» с краем 120 мегапарсек или диаметром около 3,91 миллиона световых лет. . 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 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 Берд.
«Наша потребность в большей вычислительной мощности ненасытна», — заключил Берд. «Это безумие, что мы сидим здесь, на этой маленькой планете, и наблюдаем за большей частью Вселенной».
Информация от: Техасским университетом в Остине
