Os investigadores usaram o supercomputador Frontera para criar simulações PRIYA, analisando a luz do quasar para melhorar a compreensão da estrutura do universo e refinar os principais parâmetros cosmológicos, desafiando os modelos cosmológicos anteriores.
As simulações dos dados espectrais da floresta Lyman-𝛼 conduzidas pelo supercomputador PRIYA, o maior de todos os tempos, ilustram a estrutura em grande escala do universo.
Quasares distantes brilham como faróis cósmicos, produzindo a luz mais brilhante do universo. Esses quasares ofuscam até mesmo todo o nosso via Láctea galáxia em termos de emissão de luz. Esta imensa luz origina-se da matéria sendo dilacerada à medida que é consumida por uma energia supermassiva. buraco negro. Os parâmetros cosmológicos servem como ferramentas numéricas cruciais para os astrônomos, permitindo-lhes acompanhar a evolução do universo bilhões de anos após o Big Bang.
A luz do quasar revela pistas sobre a estrutura em grande escala do Universo à medida que brilha através de enormes nuvens de gás hidrogénio neutro formadas pouco depois do Big Bang, numa escala de 20 milhões de anos-luz ou mais.
Avanços na tecnologia de simulação
Usando dados de luz de quasar, o supercomputador Frontera financiado pela National Science Foundation (NSF) no Texas Advanced Computing Center (TACC) ajudou os astrônomos a desenvolver o PRIYA, o maior conjunto de simulações hidrodinâmicas já feitas para simular estruturas em grande escala no universo.
“Criámos um novo modelo de simulação para comparar dados que existem no universo real”, disse Simeon Bird, professor assistente de astronomia na Universidade da Califórnia, em Riverside.
O Frontera da TACC, o supercomputador acadêmico mais rápido dos EUA, é um sistema estratégico de computação de capacidade nacional financiado pela National Science Foundation. Crédito: TACC
Bird e colegas desenvolveram o PRIYA, que coleta dados de luz óptica do Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS) do Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Ele e colegas publicaram seu trabalho anunciando PRIYA em outubro de 2023 no Jornal de Cosmologia e Física de Astropartículas (JCAP).
“Comparamos os dados do eBOSS com uma variedade de modelos de simulação com diferentes parâmetros cosmológicos e diferentes condições iniciais do universo, como diferentes densidades de matéria”, explicou Bird. “Você encontra aquele que funciona melhor e até onde pode chegar dele sem quebrar o acordo razoável entre os dados e as simulações. Este conhecimento nos diz quanta matéria existe no universo, ou quanta estrutura existe no universo.”
O papel do PRIYA na pesquisa cosmológica
O conjunto de simulação PRIYA está conectado a simulações cosmológicas em grande escala também co-desenvolvidas pela Bird, chamadas ASTRID, que são usadas para estudar a formação de galáxias, a coalescência de buracos negros supermassivos e o período de reionização no início da história do universo. . PRIYA vai um passo além. Ele pega as informações da galáxia e as regras de formação de buracos negros encontradas no ASTRID e altera as condições iniciais.
“Com essas regras, podemos pegar o modelo que desenvolvemos que corresponde a galáxias e buracos negros, e então mudar as condições iniciais e compará-lo com os dados da floresta Lyman-𝛼 do eBOSS do gás hidrogênio neutro”, disse Bird.
A ‘floresta Lyman-𝛼’ recebe o nome da ‘floresta’ de linhas de absorção compactadas em um gráfico do espectro do quasar resultante de transições de elétrons entre níveis de energia em átomos de hidrogênio neutro. A ‘floresta’ indica a distribuição, densidade e temperatura de enormes nuvens intergalácticas de hidrogênio neutro. Além do mais, a granulação do gás indica a presença de matéria escura, uma substância hipotética que ainda não pode ser vista, é evidente pela sua atração observada nas galáxias.
Refinando Parâmetros Cosmológicos com PRIYA
Simulações PRIYA foram usadas para refinar parâmetros cosmológicos no trabalho submetido ao JCAP, setembro de 2023 e de autoria de Simeon Bird e seus colegas da UC Riverside, MA Fernandez e Ming-Feng Ho.
Análises anteriores dos parâmetros de massa dos neutrinos não concordaram com os dados da radiação cósmica de fundo em micro-ondas (CMB), descrita como o brilho residual do Big Bang. Os astrônomos usam dados CMB do observatório espacial Plank para impor restrições rígidas à massa dos neutrinos. Os neutrinos são a partícula mais abundante no universo, portanto, identificar seu valor de massa é importante para modelos cosmológicos de estrutura em grande escala no universo.
O supercomputador Frontera do TACC ajudou os astrônomos a desenvolver o PRIYA, o maior conjunto de simulações hidrodinâmicas já feitas de estruturas em grande escala no universo. Exemplo de espectros de floresta Lyman-α da luz do quasar e densidade de gás e temperatura correspondentes de simulações em redshift z = 4. O painel superior mostra alta resolução, o painel inferior mostra baixa resolução, o painel do meio mostra os espectros de floresta Lyman-α. Crédito: DOI: 10.48550/arXiv.2309.03943
“Fizemos uma nova análise com simulações muito maiores e melhor projetadas do que qualquer coisa anterior. As discrepâncias anteriores com os dados do Planck CMB desapareceram e foram substituídas por outra tensão, semelhante ao que é visto em outras medições de estruturas em grande escala com baixo desvio para o vermelho”, disse Bird. “O principal resultado do estudo é confirmar que a tensão σ8 entre as medições CMB e as lentes fracas existem até o redshift 2, dez bilhões de anos atrás.”
Um parâmetro bem restrito do estudo PRIYA está em σ8, que é a quantidade de estruturas neutras de gás hidrogênio em uma escala de 8 megaparsecs, ou 2,6 milhões de anos-luz. Isto indica o número de aglomerados de matéria escura que flutuam por lá”, disse Bird.
Outro parâmetro restrito foi ns, o índice espectral escalar. Está ligado à forma como a estranheza da matéria escura varia com o tamanho da região analisada. Indica a rapidez com que o universo estava se expandindo momentos após o Big Bang.
“O índice espectral escalar define como o universo se comporta logo no início. Toda a ideia do PRIYA é descobrir as condições iniciais do universo e como a física de alta energia do universo se comporta”, disse Bird.
O impacto da supercomputação nos estudos cosmológicos
Os supercomputadores eram necessários para as simulações do PRIYA, explicou Bird, simplesmente porque eram muito grandes.
“Os requisitos de memória para simulações PRIYA são tão grandes que você não pode colocá-los em outra coisa senão um supercomputador”, disse Bird.
A TACC concedeu à Bird uma Alocação de Recursos de Liderança no supercomputador Frontera. Além disso, os cálculos de análise foram realizados usando os recursos do UC Riverside High-Performance Computer Cluster.
As simulações PRIYA em Frontera são algumas das maiores simulações cosmológicas já feitas, precisando de mais de 100.000 horas-núcleo para simular um sistema de 3.072 ^ 3 (cerca de 29 bilhões) de partículas em uma ‘caixa’ de 120 megaparsecs na borda, ou cerca de 3,91 milhões de luz. -anos de diâmetro. As simulações PRIYA consumiram mais de 600.000 horas de nó no Frontera.
“Frontera foi muito importante para a pesquisa porque o supercomputador precisava ser grande o suficiente para que pudéssemos executar uma dessas simulações com bastante facilidade, e precisávamos executar muitas delas. Sem algo como o Frontera, não seríamos capazes de resolvê-los. Não é que demoraria muito tempo – eles simplesmente não conseguiriam correr”, disse Bird.
Além disso, o sistema Ranch do TACC forneceu armazenamento de longo prazo para dados de simulação PRIYA.
“O rancho é importante porque agora podemos reaproveitar o PRIYA para outros projetos. Isto poderia duplicar ou triplicar o nosso impacto científico”, disse Bird.
“Nosso apetite por mais poder computacional é insaciável”, concluiu Bird. “É uma loucura estarmos sentados aqui neste pequeno planeta observando a maior parte do universo.”
Referência: “PRIYA: um novo conjunto de simulações de floresta Lyman-α para cosmologia” por Simeon Bird, Martin Fernandez, Ming-Feng Ho, Mahdi Qezlou, Reza Monadi, Yueying Ni, Nianyi Chen, Rupert Croft e Tiziana Di Matteo, 11 de outubro 2023, Jornal de Cosmologia e Física de Astropartículas.
DOI: 10.1088/1475-7516/2023/10/037
O estudo foi financiado pela National Science Foundation e NASA Quartel general
