Süper bilgisayar, evrenin büyük ölçekli yapısını göstermek için yeni Lyman-α orman simülasyonları paketi sunuyor

Uzaktaki kuasarlar, göksel bir işaret ışığı gibi, evrendeki en parlak ışığı üretirler. Samanyolu galaksimizin tamamından daha fazla ışık yayıyorlar. Işık, süper kütleli bir kara delik tarafından yutulurken parçalanan maddeden geliyor. Kozmolojik parametreler, gökbilimcilerin Büyük Patlama’dan milyarlarca yıl sonra tüm evrenin evrimini izlemek için kullandıkları önemli sayısal kısıtlamalardır.

Kuasar ışığı, Büyük Patlama’dan kısa bir süre sonra oluşan ve 20 milyon ışıkyılı veya daha fazla bir ölçekte oluşan devasa nötr hidrojen gazı bulutlarının arasından parlayarak, evrenin büyük ölçekli yapısına dair ipuçlarını ortaya çıkarıyor.

Texas Gelişmiş Bilgi İşlem Merkezi’ndeki (TACC) Frontera süper bilgisayarı, kuasar ışık verilerini kullanarak, gökbilimcilerin, evrendeki büyük ölçekli yapıları simüle etmek için şimdiye kadar yapılmış en büyük hidrodinamik simülasyon paketi olan PRIYA’yı geliştirmesine yardımcı oldu.

Riverside’daki California Üniversitesi’nde astronomi alanında yardımcı doçent olan Simeon Bird, “Gerçek evrende var olan verileri karşılaştırmak için yeni bir simülasyon modeli oluşturduk” dedi.

Bird ve meslektaşları, Sloan Dijital Gökyüzü Araştırması’nın (SDSS) Genişletilmiş Baryon Salınım Spektroskopik Araştırması’ndan (eBOSS) optik ışık verilerini alan PRIYA’yı geliştirdi. O ve meslektaşları yayınlanan PRIYA Ekim 2023’ü duyuran çalışmaları Kozmoloji ve Astropartikül Fiziği Dergisi (JCAP).

Bird, “eBOSS verilerini, farklı kozmolojik parametrelere ve farklı madde yoğunlukları gibi evrenin farklı başlangıç ​​koşullarına sahip çeşitli simülasyon modelleriyle karşılaştırıyoruz” diye açıkladı. “Veriler ve simülasyonlar arasındaki makul anlaşmayı bozmadan en iyi olanı bulursunuz ve ondan ne kadar uzaklaşabilirsiniz. Bu bilgi bize evrende ne kadar madde olduğunu ya da evrende ne kadar yapı olduğunu söyler. Evren.”

PRIYA simülasyon paketi, yine Bird tarafından ortaklaşa geliştirilen, ASTRID adı verilen ve galaksi oluşumunu, süper kütleli kara deliklerin birleşimini ve evrenin tarihinin erken dönemlerindeki yeniden iyonizasyon dönemini incelemek için kullanılan büyük ölçekli kozmolojik simülasyonlara bağlıdır. Evren. PRIYA bir adım daha ileri gidiyor. ASTRID’de bulunan galaksi bilgilerini ve kara delik oluşum kurallarını alıp başlangıç ​​koşullarını değiştiriyor.

Bird, “Bu kurallarla, galaksileri ve kara delikleri eşleştiren geliştirdiğimiz modeli alabiliriz ve ardından başlangıç ​​koşullarını değiştirebilir ve bunu nötr hidrojen gazının eBOSS’tan alınan Lyman-???? orman verileriyle karşılaştırabiliriz.” söz konusu.

‘Lyman- ???? Orman’, nötr hidrojen atomlarındaki enerji seviyeleri arasındaki elektron geçişlerinden kaynaklanan kuasar spektrumunun bir grafiğindeki birbirine yakın paketlenmiş soğurma çizgilerinin ‘ormanından’ gelir. ‘Orman’, devasa galaksiler arası nötr hidrojen bulutlarının dağılımını, yoğunluğunu ve sıcaklığını gösterir. Dahası, gazın topaklanması, henüz görülemeyen varsayımsal bir madde olan karanlık maddenin varlığına işaret ediyor ve galaksiler üzerindeki gözlemlenen çekişiyle açıkça görülüyor.

PRIYA simülasyonları çalışmadaki kozmolojik parametreleri iyileştirmek için kullanıldı gönderilen ile JCAP Eylül 2023 ve yazarı Simeon Bird ve UC Riverside’daki meslektaşları MA Fernandez ve Ming-Feng Ho.

Nötrino kütle parametrelerinin daha önceki analizleri, Büyük Patlama’nın ardından oluşan ışıma olarak tanımlanan Kozmik Mikrodalga Arkaplan radyasyonundan (CMB) elde edilen verilerle uyuşmuyordu. Gökbilimciler, nötrinoların kütlesine sıkı kısıtlamalar getirmek için Plank Uzay Gözlemevi’nden alınan CMB verilerini kullanıyor.

Nötrinolar evrende en bol bulunan parçacıktır, dolayısıyla kütle değerlerini belirlemek önemli Evrendeki büyük ölçekli yapının kozmolojik modelleri için.

“Eskisinden çok daha büyük ve daha iyi tasarlanmış simülasyonlarla yeni bir analiz yaptık. Planck CMB verileriyle daha önceki tutarsızlıklar ortadan kalktı ve yerini, diğer düşük kırmızıya kaymalı büyük ölçekli yapı ölçümlerinde görülene benzer başka bir gerilim aldı.” Kuş dedi. “Çalışmanın ana sonucu, CMB ölçümleri ile zayıf merceklenme arasındaki σ8 geriliminin on milyar yıl önce kırmızıya kayma 2’ye kadar var olduğunu doğrulamaktır.”

Bird, “PRIYA çalışmasının iyi sınırlandırılmış parametrelerinden biri, 8 megaparsek veya 2,6 milyon ışıkyılı ölçeğindeki nötr hidrojen gazı yapılarının miktarı olan σ8’dir. Bu, orada yüzen karanlık madde kümelerinin sayısını gösterir.” dedi. .

Kısıtlanan diğer bir parametre ise skaler spektral indeks olan ns’dir. Karanlık maddenin sakarlığının analiz edilen bölgenin büyüklüğüne göre nasıl değiştiğiyle bağlantılıdır. Bu, Büyük Patlama’dan hemen sonra evrenin ne kadar hızlı genişlediğini gösteriyor.

Bird, “Skaler spektral indeks, evrenin başlangıçta nasıl davrandığını belirliyor. PRIYA’nın tüm fikri, evrenin başlangıç ​​koşullarını ve evrenin yüksek enerji fiziğinin nasıl davrandığını çözmektir” dedi.

Bird, PRIYA simülasyonları için süper bilgisayarların çok büyük olmaları nedeniyle gerekli olduğunu açıkladı.

Bird, “PRIYA simülasyonlarının bellek gereksinimleri o kadar büyük ki, onları süper bilgisayardan başka bir şeye koyamazsınız” dedi.

Frontera’daki PRIYA simülasyonları şimdiye kadar yapılmış en büyük kozmolojik simülasyonlardan bazılarıdır ve 3072’lik bir sistemi simüle etmek için 100.000 çekirdek saatinden fazlasına ihtiyaç duyarlar.³ (yaklaşık 29 milyar) parçacık, kenarda 120 megaparsek veya yaklaşık 3,91 milyon ışık yılı genişliğinde bir ‘kutu’ içinde. PRIYA simülasyonları Frontera’da 600.000 düğüm saatinden fazla zaman harcadı.

“Frontera araştırma için çok önemliydi çünkü süper bilgisayarın bu simülasyonlardan birini oldukça kolay bir şekilde çalıştırabilmemiz için yeterince büyük olması gerekiyordu ve bunlardan çoğunu çalıştırmamız gerekiyordu. Frontera gibi bir şey olmadan çözemezdik. Bird, “Bu uzun zaman alacak bir şey değil, sadece koşamayacakları bir durum” dedi.

Ayrıca TACC’nin Ranch sistemi, PRIYA simülasyon verileri için uzun vadeli depolama sağladı.

Bird, “Çiftlik önemlidir, çünkü artık PRIYA’yı başka projeler için yeniden kullanabiliriz. Bu, bilimsel etkimizi ikiye veya üçe katlayabilir” dedi.

Bird sözlerini şöyle tamamladı: “Daha fazla bilgi işlem gücüne olan iştahımız doyumsuzdur.” “Bu küçük gezegende oturup evrenin çoğunu gözlemlememiz çok çılgınca.”