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 terang dibandingkan quasar-quasar lainnya Bima Sakti galaksi dalam hal emisi cahaya. Cahaya yang sangat besar ini berasal dari material yang terkoyak ketika dikonsumsi oleh benda supermasif lubang hitam. Parameter kosmologis berfungsi sebagai alat numerik penting bagi para astronom, yang memungkinkan mereka melacak evolusi alam semesta miliaran tahun kemudian. Dentuman Besar.
Cahaya quasar mengungkap petunjuk tentang struktur skala besar alam semesta saat ia menerangi awan besar gas hidrogen netral 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 rekan-rekannya menerbitkan karyanya yang mengumumkan PRIYA pada Oktober 2023 di Jurnal Kosmologi dan Fisika Astropartikel (JCAP).
“Kami membandingkan data eBOSS dengan model simulasi berbeda dengan parameter kosmologis berbeda dan kondisi awal alam semesta berbeda, seperti kepadatan materi berbeda,” jelas Bird. “Anda akan mengetahui apa yang terbaik dan seberapa jauh yang bisa Anda capai 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, disebut ASTRID, yang digunakan untuk mempelajari pembentukan galaksi, penggabungan lubang hitam supermasif, dan periode reionisasi 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 tersebut, kita bisa mengambil model yang kita kembangkan yang sesuai dengan galaksi dan lubang hitam, lalu kita ubah kondisi awalnya dan bandingkan dengan data hutan Lyman-𝛼 dari gas hidrogen netral eBOSS,” kata Bird.
'Hutan Lyman-𝛼' mendapatkan namanya dari 'hutan' padat garis serapan 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, bongkahan gas tersebut menunjukkan adanya materi gelap, suatu zat hipotetis yang belum dapat dilihat dengan jelas melalui pengamatan daya tariknya 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 dari Big Bang. Para astronom menggunakan data CMB dari observatorium luar angkasa Plank untuk membatasi massa neutrino. Neutrino adalah partikel paling melimpah di alam semesta, sehingga 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 untuk struktur berskala besar di alam semesta. Contoh spektrum cahaya quasar hutan Lyman-α 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 hutan Lyman-α spektrum. Kredit: DOI: 10.48550/arXiv.2309.03943
“Kami membuat analisis baru dengan simulasi yang dirancang jauh lebih besar dan lebih baik dari sebelumnya. “Perbedaan sebelumnya dengan data Planck CMB menghilang, dan digantikan oleh strain lain, serupa dengan apa yang terlihat dalam pengukuran struktur skala besar dengan 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 2,0 miliar tahun lalu.”
Salah satu parameter studi PRIYA yang dibatasi dengan baik adalah σ8, yang merupakan jumlah struktur gas hidrogen netral pada skala 8 megaparsec, atau 2,6 juta tahun cahaya. “Ini menunjukkan ada banyak gumpalan materi gelap yang mengambang di sekitar sana,” kata Bird.
Parameter lain yang dibatasi adalah ns, indeks spektral skalar. Hal ini terkait dengan bagaimana keanehan materi gelap bervariasi menurut ukuran wilayah yang dianalisis. Ini menunjukkan betapa cepatnya 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 Kosmologi
Sebuah 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 perangkat apa pun selain superkomputer,” kata Bird.
TACC menganugerahkan Alokasi Sumber Daya Kepemimpinan Burung pada superkomputer Frontera. Selain itu, perhitungan analitis dilakukan dengan menggunakan sumber daya dari UC Riverside High Performance Computing Cluster.
Simulasi PRIYA di Frontera adalah salah satu simulasi kosmologi 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' berukuran 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 untuk penelitian ini karena superkomputernya harus cukup besar sehingga kita dapat menjalankan salah satu simulasi ini dengan cukup mudah, dan kita perlu menjalankan banyak simulasi. Tanpa sesuatu seperti Frontera, kami tidak akan mampu menyelesaikannya. “Bukannya hal ini akan memakan waktu lama – hanya saja mereka tidak akan bisa berjalan sama sekali,” kata Bird.
Selain itu, sistem TACC Farm menyediakan penyimpanan jangka panjang untuk data simulasi PRIYA.
“Pertanian itu penting, karena sekarang kami bisa menggunakan 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
Penelitian ini didanai oleh National Science Foundation dan NASA Kantor Pusat
NewsRoom.id
