Araştırmacılar karanlık maddeyi araştırmak için süper bilgisayar kullanıyor

Kaliforniya Üniversitesi, Santa Cruz’dan bir araştırma ekibi, karanlık maddenin özelliklerini araştırmak için şimdiye kadarki en eksiksiz kozmolojik modellerden birini çalıştırmak için Oak Ridge Liderlik Bilgi İşlem Tesisi’nin Summit süper bilgisayarını kullandı – evrenin varsayımsal kozmik ağı büyük ölçüde kaldı varlığından yaklaşık 90 yıl sonra bir gizem kesin olarak teorize edildi.

Pek çok astrofizikçinin üzerinde hemfikir olduğu Big Bang kozmolojisinin Lambda-soğuk karanlık madde modeline göre, evrendeki toplam maddenin %85’i bu şekildedir. karanlık madde. Ama karanlık madde tam olarak nedir?

Bruno Villasenor, “Evrende çok fazla karanlık madde olduğunu biliyoruz, ancak bu karanlık maddeyi neyin oluşturduğu, ne tür bir parçacık olduğu hakkında hiçbir fikrimiz yok. Sadece yerçekimi etkisinden dolayı orada olduğunu biliyoruz” dedi. UCSC’de eski doktora öğrencisi ve ekibin yakın zamanda yayınlanan makalesinin baş yazarı. Fiziksel İnceleme D. “Ancak gördüğümüz karanlık maddenin özelliklerini sınırlayabilirsek, o zaman bazı olası adayları eleyebiliriz.”

Ekip, Energy’nin Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’nda bulunan Summit süper bilgisayarında 1.000’den fazla yüksek çözünürlüklü hidrodinamik simülasyon üreterek, Lyman-Alpha Ormanı’nı modelledi. kuasarlar, Dünya’ya yaptıkları yolculuk boyunca malzeme ile karşılaşırlar. Bu dağınık kozmik gaz yamalarının tümü farklı hızlarda hareket ediyor ve farklı kütlelere ve kapsamlara sahip, soğurma çizgilerinden oluşan bir “orman” oluşturuyor.

Araştırmacılar daha sonra kozmik ağın yapısını etkileyen farklı karanlık madde özelliklerine sahip evrenleri simüle ederek Lyman-Alpha Ormanı’nın dalgalanmalarını değiştirdiler. Ekip, simülasyonların sonuçlarını WM Keck Gözlemevi ve Avrupa Güney Gözlemevi’nin Çok Büyük Teleskopu’ndaki teleskoplar tarafından gözlemlenen gerçek Lyman-Alpha Ormanı’ndaki dalgalanmalarla karşılaştırdı ve ardından en yakın eşleşmelerini bulana kadar karanlık madde rakiplerini eledi.

Sonuç olarak, ekibin sonuçları, Lambda-CDM modelinin, evrenin karanlık maddesinin soğuk karanlık madde olduğu şeklindeki birincil iddiasına aykırıydı – bu nedenle modelin, karanlık maddenin sıcaklığından ziyade yavaş termal hızlarına atıfta bulunan kısaltması. Bunun yerine, çalışmanın en büyük beklentisi, zıt varsayımı gösterdi: Gerçekten de, daha yüksek termal hızlara sahip, sıcak bir karanlık madde evreninde yaşıyor olabiliriz.

“Lambda-CDM, astronomi ve kozmolojideki çok çeşitli gözlemler hakkında başarılı bir görüş sağlıyor. Ancak bu temelde küçük çatlaklar var. Ve bizim asıl yapmaya çalıştığımız şey, bu çatlakları zorlamak ve bununla ilgili sorunlar olup olmadığını görmek. temel temel. Sağlam bir zeminde miyiz?” Proje lideri ve UCSC’nin Astronomi ve Astrofizik Bölümü’nde profesör olan Brant Robertson dedi.

UCSC projesi, karanlık madde ve evrenin kendisi hakkında uzun süredir var olan birkaç varsayımı sarsmasının yanı sıra, hesaplama becerisiyle de öne çıkıyor. Ekip, kozmik ağın yapısını şekillendiren fiziği açıklayan ve dünyadaki en büyük süper bilgisayarların hesaplama gücünden yararlanan son teknoloji simülasyon yazılımıyla üretilmiş, benzeri görülmemiş derecede kapsamlı bir simülasyon seti gerçekleştirdi.

UCSC ekibi, Summit’teki simülasyonları için başlangıç ​​noktası olarak Cholla veya Computational Hydrodynamics On ParaLLel Architectures adlı GPU için optimize edilmiş bir hidrodinamik kodu kullandı. Pittsburgh Üniversitesi Fizik ve Astronomi Bölümü’nde yardımcı doçent olan Evan Schneider tarafından geliştirilen Cholla, başlangıçta kullanıcıların bir akışkan dinamiği çözücü görevi görerek evrendeki gazların zaman içinde nasıl geliştiğini daha iyi anlamalarına yardımcı olmayı amaçlıyordu. Bununla birlikte, UCSC ekibi, karanlık madde projesinin üstesinden gelmek için birkaç fizik çözücüye daha ihtiyaç duydu, bu nedenle Villasenor, UCSC’deki doktora tezi için üç yıl boyunca onları Cholla’ya entegre etti.

“Temel olarak Cholla’yı biraz fizik ekleyerek genişletmek zorunda kaldım: yerçekimi fiziği, karanlık madde fiziği, genişleyen evren fiziği, gazların kimyasal özellikleri fiziği ve hidrojen ve helyumun kimyasal özellikleri.” dedi Villasenor. “Gaz, evrendeki radyasyonla nasıl ısınacak? Bu, gazın dağılımını nasıl ilerletecek? Bu fizik, bu tür kozmolojik hidrodinamik simülasyonları yapmak için gerekli.”

Bu süreçte Villasenor, evreni modellemek için en eksiksiz simülasyon kodlarından birini bir araya getirdi. Önceden, astrofizikçiler tipik olarak simülasyonlarına hangi parametreleri dahil edeceklerini seçmek zorundaydılar. Şimdi, Summit’in bilgi işlem gücüyle birleştiğinde, emrinde çok daha fazla fiziksel parametre var.

Robertson, “Bruno’nun başardığı şeylerden biri, araştırmacıların yıllardır yapmak istediği ve gerçekten yalnızca OLCF’deki süper bilgisayar sistemleri tarafından mümkün kılınan bir şeydi: evrenin fiziğini birçok farklı şekilde gerçekten önemli ölçüde değiştirmek.” “Bu ileriye doğru büyük bir adım – fiziği aynı anda bağlayabilmek ve bunu doğrudan gözlemlerle karşılaştırabileceğiniz bir şekilde yapabilmek.

“Daha önce böyle bir şey yapmak mümkün olmamıştı. Hesaplama zorluğu açısından, daha önce yapılmış olanın çok ötesinde.”

Villasenor’a Cholla’yı genişletme çalışmalarında tavsiyelerde bulunan Schneider, Cholla’yı OLCF’de Summit ile birlikte barındırılan yeni exascale sınıfı Frontier süper bilgisayarında kendi simülasyonları için hazırlarken yaptığı eklemelerin “tamamen kritik” olacağını düşündüğünü söyledi. ORNL’de bir DOE Office of Science kullanıcı tesisi. Samanyolu galaksisini simüle etmek için Frontier Center for Accelerated Application Readiness programı aracılığıyla bir projeye liderlik ediyor ve Villasenor tarafından eklenen bazı çözücüleri kullanacak.

Schneider, “Astrofizik yazılımı diğer yazılım türlerinden çok farklı çünkü herhangi bir nihai sürüm olduğunu düşünmüyorum ve bu kesinlikle Cholla için geçerli değil” dedi. “Cholla’yı bir çok amaçlı alet olarak düşünebilirsiniz, bu nedenle çok amaçlı aletimize ne kadar çok parça eklersek, o kadar çok türde sorunu çözebiliriz. Orijinal aleti sadece bir çakı olarak yaptıysam, o zaman Bruno bir tornavida eklemiş gibi olur – işte orijinal kodla çözemediğimiz sorunları şimdi çözebileceğimiz bir dizi sorun var. Gittikçe daha fazla şey eklemeye devam ettikçe, giderek daha karmaşık sorunların üstesinden gelebileceğiz.”