Para peneliti menggunakan superkomputer Frontera untuk membuat simulasi PRIYA, menganalisis cahaya quasar untuk meningkatkan pemahaman tentang struktur alam semesta dan menyempurnakan parameter kosmologis utama, sehingga menantang model kosmologis sebelumnya.
Simulasi data spektral hutan Lyman-𝛼 yang dilakukan oleh superkomputer PRIYA, superkomputer terbesar yang pernah ada, menggambarkan struktur alam semesta berskala besar.
Quasar yang jauh bersinar seperti suar kosmik, menghasilkan cahaya paling terang di alam semesta. Quasar-quasar ini bahkan lebih cemerlang dari kita semua Bima Sakti galaksi dalam hal emisi cahaya. Cahaya yang sangat besar ini berasal dari materi yang terkoyak saat dikonsumsi oleh benda supermasif lubang hitam. Parameter kosmologis berfungsi sebagai alat numerik yang penting bagi para astronom, yang memungkinkan mereka melacak evolusi alam semesta miliaran tahun setelahnya. Dentuman Besar.
Cahaya quasar mengungkap petunjuk tentang struktur skala besar alam semesta saat ia menyinari awan gas hidrogen netral yang sangat besar yang terbentuk tak lama setelah Big Bang dalam skala 20 juta tahun cahaya atau lebih.
Kemajuan Teknologi Simulasi
Dengan menggunakan data cahaya quasar, superkomputer Frontera yang didanai National Science Foundation (NSF) di Texas Advanced Computing Center (TACC) membantu para astronom mengembangkan PRIYA, rangkaian simulasi hidrodinamik terbesar yang pernah dibuat untuk mensimulasikan struktur skala besar di alam semesta.
“Kami telah menciptakan model simulasi baru untuk membandingkan data yang ada di alam semesta nyata,” kata Simeon Bird, asisten profesor astronomi di University of California, Riverside.
Frontera TACC, superkomputer akademik tercepat di AS, adalah sistem komputasi kemampuan nasional strategis yang didanai oleh National Science Foundation. Kredit: TACC
Bird dan rekannya mengembangkan PRIYA, yang mengambil data cahaya optik dari Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS) dari Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Ia dan rekannya menerbitkan karyanya yang mengumumkan PRIYA Oktober 2023 di Jurnal Kosmologi dan Fisika Astropartikel (JCAP).
“Kami membandingkan data eBOSS dengan berbagai model simulasi dengan parameter kosmologis berbeda dan kondisi awal alam semesta berbeda, seperti kepadatan materi berbeda,” jelas Bird. “Anda akan menemukan mana yang paling berhasil dan seberapa jauh Anda bisa mencapainya tanpa melanggar kesepakatan yang masuk akal antara data dan simulasi. Pengetahuan ini memberi tahu kita berapa banyak materi yang ada di alam semesta, atau berapa banyak struktur yang ada di alam semesta.”
Peran PRIYA dalam Penelitian Kosmologi
Rangkaian simulasi PRIYA terhubung dengan simulasi kosmologi berskala besar yang juga dikembangkan bersama oleh Bird, yang disebut ASTRID, yang digunakan untuk mempelajari pembentukan galaksi, penggabungan lubang hitam supermasif, dan periode re-ionisasi di awal sejarah alam semesta. . PRIYA melangkah lebih jauh. Dibutuhkan informasi galaksi dan aturan pembentukan lubang hitam yang ditemukan di ASTRID dan mengubah kondisi awal.
“Dengan aturan ini, kita dapat mengambil model yang kita kembangkan yang cocok dengan galaksi dan lubang hitam, lalu kita mengubah kondisi awal dan membandingkannya dengan data hutan Lyman-𝛼 dari eBOSS gas hidrogen netral,” kata Bird.
‘Hutan Lyman-𝛼’ mendapatkan namanya dari ‘hutan’ garis serapan yang padat pada grafik spektrum quasar yang dihasilkan dari transisi elektron antar tingkat energi dalam atom hidrogen netral. ‘Hutan’ menunjukkan distribusi, kepadatan, dan suhu awan hidrogen netral antargalaksi yang sangat besar. Terlebih lagi, gumpalan gas tersebut menunjukkan adanya materi gelap, suatu zat hipotetis yang belum dapat dilihat secara jelas melalui pengamatan tarik-menariknya terhadap galaksi.
Menyempurnakan Parameter Kosmologis dengan PRIYA
Simulasi PRIYA telah digunakan untuk menyempurnakan parameter kosmologis dalam pekerjaan yang diserahkan ke JCAP September 2023 dan ditulis oleh Simeon Bird dan rekannya di UC Riverside, MA Fernandez dan Ming-Feng Ho.
Analisis sebelumnya terhadap parameter massa neutrino tidak sesuai dengan data dari radiasi Cosmic Microwave Background (CMB), yang digambarkan sebagai sisa-sisa Big Bang. Para astronom menggunakan data CMB dari observatorium luar angkasa Plank untuk membatasi massa neutrino. Neutrino adalah partikel paling melimpah di alam semesta, jadi menentukan nilai massanya penting untuk model kosmologis struktur skala besar di alam semesta.
Superkomputer Frontera milik TACC membantu para astronom mengembangkan PRIYA, rangkaian simulasi hidrodinamik terbesar yang pernah dibuat dari struktur berskala besar di alam semesta. Contoh spektrum hutan Lyman-α dari cahaya quasar serta kepadatan dan suhu gas yang sesuai dari simulasi pada pergeseran merah z = 4. Panel atas menunjukkan resolusi tinggi, panel bawah menunjukkan resolusi rendah, panel tengah menunjukkan spektrum hutan Lyman-α. Kredit: DOI: 10.48550/arXiv.2309.03943
“Kami membuat analisis baru dengan simulasi yang jauh lebih besar dan dirancang lebih baik dibandingkan sebelumnya. Perbedaan sebelumnya dengan data Planck CMB menghilang, dan digantikan dengan ketegangan lain, serupa dengan apa yang terlihat dalam pengukuran struktur skala besar pergeseran merah rendah lainnya,” kata Bird. “Hasil utama dari penelitian ini adalah untuk mengkonfirmasi ketegangan σ8 antara pengukuran CMB dan pelensaan lemah yang terjadi hingga pergeseran merah 2, sepuluh miliar tahun yang lalu.”
Salah satu parameter yang dibatasi dengan baik dari studi PRIYA adalah pada σ8, yaitu jumlah struktur gas hidrogen netral pada skala 8 megaparsec, atau 2,6 juta tahun cahaya. Ini menunjukkan banyaknya gumpalan materi gelap yang mengambang di sekitar sana,” kata Bird.
Parameter lain yang dibatasi adalah ns, indeks spektral skalar. Hal ini terkait dengan bagaimana kecanggungan materi gelap bervariasi menurut ukuran wilayah yang dianalisis. Ini menunjukkan seberapa cepat alam semesta mengembang beberapa saat setelah Big Bang.
“Indeks spektral skalar menentukan bagaimana alam semesta berperilaku sejak awal. Ide keseluruhan PRIYA adalah untuk mengetahui kondisi awal alam semesta, dan bagaimana perilaku fisika energi tinggi alam semesta,” kata Bird.
Dampak Superkomputer pada Studi Kosmologis
Superkomputer diperlukan untuk simulasi PRIYA, jelas Bird, karena ukurannya yang sangat besar.
“Kebutuhan memori untuk simulasi PRIYA sangat besar sehingga Anda tidak dapat menempatkannya pada apa pun selain superkomputer,” kata Bird.
TACC menganugerahi Bird Alokasi Sumber Daya Kepemimpinan pada superkomputer Frontera. Selain itu, perhitungan analisis dilakukan dengan menggunakan sumber daya dari Cluster Komputer Kinerja Tinggi UC Riverside.
Simulasi PRIYA di Frontera adalah salah satu simulasi kosmologis terbesar yang pernah dibuat, memerlukan lebih dari 100.000 jam inti untuk mensimulasikan sistem yang terdiri dari 3072^3 (sekitar 29 miliar) partikel dalam ‘kotak’ 120 megaparsec di tepinya, atau sekitar 3,91 juta cahaya. -bertahun-tahun. Simulasi PRIYA menghabiskan lebih dari 600.000 jam node di Frontera.
“Frontera sangat penting dalam penelitian ini karena superkomputernya harus cukup besar sehingga kami dapat menjalankan salah satu simulasi ini dengan cukup mudah, dan kami perlu menjalankan banyak simulasi. Tanpa sesuatu seperti Frontera, kami tidak akan bisa menyelesaikannya. Bukan berarti hal itu akan memakan waktu lama – hanya saja mereka tidak akan bisa berlari sama sekali,” kata Bird.
Selain itu, sistem Peternakan TACC menyediakan penyimpanan jangka panjang untuk data simulasi PRIYA.
“Peternakan itu penting, karena sekarang kami bisa memanfaatkan kembali PRIYA untuk proyek lain. Hal ini dapat melipatgandakan atau melipatgandakan dampak ilmu pengetahuan kita,” kata Bird.
“Selera kami terhadap daya komputasi yang lebih besar tidak pernah terpuaskan,” Bird menyimpulkan. “Sungguh gila kita duduk di sini, di planet kecil ini, mengamati sebagian besar alam semesta.”
Referensi: “PRIYA: rangkaian baru simulasi hutan Lyman-α untuk kosmologi” oleh Simeon Bird, Martin Fernandez, Ming-Feng Ho, Mahdi Qezlou, Reza Monadi, Yueying Ni, Nianyi Chen, Rupert Croft dan Tiziana Di Matteo, 11 Oktober 2023, Jurnal Kosmologi dan Fisika Astropartikel.
DOI: 10.1088/1475-7516/2023/10/037
Studi ini didanai oleh National Science Foundation dan NASA Markas besar
