Podobnie jak niebiańska latarnia morska, odległe kwazary emitują najjaśniejsze światło we wszechświecie. Emitują więcej światła niż cała nasza galaktyka Drogi Mlecznej. Światło pochodzi z materii rozerwanej podczas połykania przez supermasywną czarną dziurę. Parametry kosmologiczne to ważne ograniczenia numeryczne, których astronomowie używają do śledzenia ewolucji całego wszechświata miliardy lat po Wielkim Wybuchu.
Światło kwazara ujawnia wskazówki dotyczące wielkoskalowej struktury Wszechświata, gdy prześwieca przez ogromne obłoki obojętnego gazowego wodoru powstałe wkrótce po Wielkim Wybuchu w skali co najmniej 20 milionów lat świetlnych.
Wykorzystując dane dotyczące światła kwazara, finansowany przez National Science Foundation (NSF) superkomputer Frontera w Texas Advanced Computing Center (TACC) pomógł astronomom opracować PRIYA, największy jak dotąd zestaw symulacji hydrodynamicznych stworzonych do symulacji wielkoskalowych struktur we wszechświecie.
„Stworzyliśmy nowy model symulacyjny do porównywania danych istniejących w prawdziwym wszechświecie” – powiedział Simeon Bird, adiunkt astronomii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Riverside.
Bird i współpracownicy opracowali PRIYA, która zbiera dane dotyczące światła optycznego z Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS) w ramach Sloan Digital Sky Survey (SDSS). On i współpracownicy opublikowali swoją pracę ogłaszającą PRIYA w październiku 2023 r. w czasopiśmie Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP).
„Porównujemy dane eBOSS z różnymi modelami symulacyjnymi z różnymi parametrami kosmologicznymi i różnymi warunkami początkowymi dotyczącymi Wszechświata, takimi jak różne gęstości materii” – wyjaśnił Bird. „Znajdujesz ten, który działa najlepiej i jak daleko od tego możesz się oddalić, nie naruszając rozsądnej zgodności między danymi a symulacjami. Ta wiedza mówi nam, ile materii jest we wszechświecie lub ile struktury jest w wszechświat.”
Zestaw symulacyjny PRIYA jest połączony z wielkoskalowymi symulacjami kosmologicznymi, również opracowanymi wspólnie przez Birda, zwanymi ASTRID, które są wykorzystywane do badania powstawania galaktyk, koalescencji supermasywnych czarnych dziur i okresu ponownej jonizacji na początku historii wszechświata . PRIYA idzie o krok dalej. Pobiera informacje o galaktyce i zasadach powstawania czarnych dziur znalezionych w ASTRID i zmienia warunki początkowe.
„Dzięki tym regułom możemy przyjąć opracowany przez nas model, który pasuje do galaktyk i czarnych dziur, a następnie zmienić warunki początkowe i porównać je z danymi Lyman-‚las z eBOSS dotyczącymi neutralnego wodoru” – mówi. – powiedział Ptak.
„Lyman-” las” wziął swoją nazwę od „lasu” gęsto upakowanych linii absorpcyjnych na wykresie widma kwazaru powstającego w wyniku przejść elektronowych pomiędzy poziomami energii w atomach obojętnego wodoru. „Las” wskazuje rozmieszczenie, gęstość i temperaturę ogromnych międzygalaktycznych, obojętnych chmur wodoru. Co więcej, grudkowatość gazu wskazuje na obecność ciemnej materii, hipotetycznej substancji, której nie można jeszcze zobaczyć, czego dowodem jest obserwowane przez nią przyciąganie galaktyk.
Symulacje PRIYA wykorzystano do udoskonalenia parametrów kosmologicznych w pracach przesłanych do JCAP we wrześniu 2023 r., a których autorami są Simeon Bird i jego koledzy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Riverside, MA Fernandez i Ming-Feng Ho.
Poprzednia analiza parametrów masowych neutrin nie zgadzała się z danymi z kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła (CMB), określanego jako poświata Wielkiego Wybuchu. Astronomowie wykorzystują dane CMB z obserwatorium kosmicznego Plank do nałożenia ścisłych ograniczeń na masę neutrin. Neutrina są najpowszechniej występującymi cząstkami we wszechświecie, dlatego określenie ich masy jest ważne dla kosmologicznych modeli wielkoskalowej struktury Wszechświata.
„Przeprowadziliśmy nową analizę na podstawie symulacji, które były znacznie większe i lepiej zaprojektowane niż cokolwiek wcześniej. Wcześniejsze rozbieżności z danymi z CMB Plancka zniknęły i zostały zastąpione innym napięciem, podobnym do tego, które obserwuje się w innych wielkoskalowych strukturach z niskim przesunięciem ku czerwieni pomiarów” – powiedział Bird. „Głównym wynikiem badania jest potwierdzenie, że napięcie σ8 pomiędzy pomiarami KMPT a słabym soczewkowaniem istniało aż do przesunięcia ku czerwieni 2, dziesięć miliardów lat temu”.
Jeden z dobrze ograniczonych parametrów badania PRIYA dotyczy σ8, czyli ilości struktur obojętnego gazowego wodoru w skali 8 megaparseków, czyli 2,6 miliona lat świetlnych. To wskazuje liczbę skupisk ciemnej materii, które się tam unoszą” – powiedział Bird.
Kolejnym ograniczonym parametrem był ns, skalarny indeks widmowy. Jest to związane ze zmianą niezdarności ciemnej materii w zależności od wielkości analizowanego obszaru. Wskazuje, jak szybko Wszechświat rozszerzał się zaledwie chwilę po Wielkim Wybuchu.
„Skalarny indeks widmowy określa, jak wszechświat zachowuje się od samego początku. Cała idea projektu PRIYA polega na określeniu warunków początkowych wszechświata oraz tego, jak zachowuje się fizyka wysokich energii we wszechświecie” – powiedział Bird.
Bird wyjaśnił, że do symulacji PRIYA potrzebne były superkomputery po prostu dlatego, że były tak duże.
„Zapotrzebowanie na pamięć w symulacjach PRIYA jest tak duże, że nie można ich umieścić na niczym innym niż superkomputerze” – powiedział Bird.
TACC przyznało Birdowi alokację zasobów przywódczych na superkomputerze Frontera. Dodatkowo obliczenia analityczne przeprowadzono z wykorzystaniem zasobów klastra komputerowego UC Riverside High Performance Computer Cluster.
Symulacje PRIYA na platformie Frontera to jedne z największych symulacji kosmologicznych, jakie kiedykolwiek przeprowadzono, wymagające ponad 100 000 godzin pracy rdzenia, aby zasymulować system 3072^3 (około 29 miliardów) cząstek w „pudełku” o krawędzi 120 megaparseków, czyli około 3,91 miliona światła lata. Symulacje PRIYA pochłonęły ponad 600 000 godzin pracy węzłów na platformie Frontera.
„Frontera odegrała bardzo ważną rolę w badaniach, ponieważ superkomputer musiał być wystarczająco duży, abyśmy mogli w miarę łatwo przeprowadzić jedną z tych symulacji, a musieliśmy przeprowadzić ich wiele. Bez czegoś takiego jak Frontera nie bylibyśmy w stanie rozwiązać To nie tak, że zajęłoby to dużo czasu – po prostu w ogóle nie byliby w stanie biegać” – powiedział Bird.
Ponadto system ranczo TACC zapewnił długoterminowe przechowywanie danych symulacyjnych PRIYA.
„Ranczo jest ważne, ponieważ teraz możemy ponownie wykorzystać PRIYA w innych projektach. Może to podwoić lub potroić nasz wpływ na naukę” – powiedział Bird. “
„Nasz apetyt na większą moc obliczeniową jest nienasycony” – podsumował Bird. „To szalone, że siedzimy tutaj, na tej małej planecie i obserwujemy większość wszechświata”.