LIGO supercomputer-opgradering vil fremskynde banebrydende astrofysisk forskning

I 2016 et internationalt hold af videnskabsmænd fandt endelige beviser - små krusninger i rummet kendt som gravitationsbølger - for at understøtte en af ​​de sidste tilbageværende utestede forudsigelser af Einsteins generelle relativitetsteori. Holdet brugte Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), som siden har gjort adskillige gravitationsbølgeopdagelser. Hver opdagelse var delvis mulig på grund af et globalt netværk af supercomputerklynger, hvoraf den ene har til huse i Penn State. Forskere bruger dette netværk, kendt som LIGO Data Grid, at analysere gravitationsbølgedata.

Penn State har for nylig investeret i en opgradering af sin del af datanettet, der vil groft firdoble klyngens kapacitet til at udføre banebrydende astronomi- og astrofysikforskning. Den nye klynge, 192 servere arbejder i tandem, administreres af Institute for CyberScience (ICS). Bangalore Sathyaprakash, professor i astronomi og astrofysik og Elsbach professor i fysik; og Chad Hanna, lektor i fysik og astronomi og astrofysik, og ICS co-hyret fakultetsmedlem, er de primære forskere, der skal bruge det nye system sammen med deres forskerhold og samarbejdspartnere.

Fremskynde fakultets- og studerendes forskning

"I Penn State er vi involveret i alle aspekter af gravitationsbølgeastronomi, som vi bruger til at lære om universet, " sagde Sathyaprakash. "Indtil opdagelsen af ​​gravitationsbølger, den eneste måde vi kunne observere universet var ved at bruge lys, radiobølger eller gammastråler, som alle tilhører det elektromagnetiske spektrum. Gravitationsbølger giver os mulighed for at skabe et komplementært billede af universet og afsløre processer og fænomener, som ellers ikke ville blive afsløret gennem elektromagnetisk observation."

Den nye klynge vil i høj grad øge hastigheden, hvormed forskere kan gennemføre analyser, ifølge Chad Hanna. Han og hans kolleger afsluttede for nylig den første undersøgelse, der brugte data fra Penn State's LIGO-klynge. Holdet designede et eksperiment for at kvantificere antallet af binære sorte huller i universet, der har mindre masse end Solen, hvilket kan have betydning for mængden af ​​mørkt stof i universet.

"Vores første undersøgelse, der udelukkende brugte Penn State LIGO-klyngen, tog 12 uger, " sagde Hanna. "Hvis vi skulle fuldføre den samme undersøgelse af den opgraderede klynge i dag, det ville kun tage tre uger."

Opgraderingen booster klyngen fra 1, 152 beregne kerner til 4, 608 kerner, hvilket vil give flere forskere mulighed for at bruge systemet samtidigt. Til reference, dette svarer nogenlunde til mere end 1, 000 stationære computere, der arbejder sammen.

"Jeg er mest begejstret for de ekstra maskiner, " sagde Ryan Magee, kandidatstuderende i fysik. "Det giver mulighed for at køre flere analyser på én gang uden meget flaskehalse."

Magee planlægger at bruge klyngen til at søge efter sub-solar masse kompakte objekter i universet, han sagde, fordi "de ikke er produceret af stjernernes mekanismer, så det ville være en antydning af ny fysik."

Forskere på alle niveauer vil bruge den nye ressource, herunder bachelorstuderende som Phoebe McClincy, en anden studerende, der studerer astronomi og astrofysik, og en Millennium Scholar. McClincy blev først udsat for gravitationsbølgeforskning som gymnasieelev, der deltog i en Penn State sommerlejr ledet af Hanna.

"Under den sommerlejr fik jeg faktisk mulighed for at besøge klyngen, og jeg kan huske, at jeg syntes, det var rigtig fedt og fascinerende at se den anden side af computeren, " sagde McClincy, nu medlem af Hannas forskerhold. "Jeg har altid syntes, at teknologi som denne er fantastisk, så jeg kan ikke vente med at se, hvad der kan gøres nu, hvor det bliver endnu mere avanceret."

Opbygning af kapacitet til fremtidige LIGO-fund

Den første iteration af LIGOs observatorier indsamlede data fra 2002 til 2010, men detekterede ingen gravitationsbølger. Opgradering af observatorierne til deres nuværende tilstand, kendt som Advanced LIGO, i høj grad øget deres detektionsmuligheder, og, som resultat, systemet har detekteret seks gravitationsbølgehændelser siden 2016.

Sathyaprakash sagde, at der er planer om at fortsætte med at forbedre detektionskapaciteten af ​​gravitationsbølgeobservatorier, hvilket vil give både muligheder og udfordringer for forskerne.

"Når avanceret LIGO når sin designfølsomhed, vi vil observere binære sorte hul-kollisioner så langt som titusindvis af milliarder af lysår, og binære neutronstjerner fusionerer milliarder af lysår væk. Med konstruktionen i 2030'erne af nye detektorer, der er 10 gange mere følsomme end de nuværende, vi vil være i stand til at observere hele universet i gravitationsbølger for sorte huller og det meste af universet for neutronstjerner, " han sagde.

At komme med det vil være udfordringer med at indsamle, lagring og analyse af enorme mængder data. Det har taget mellem en og tre måneder at analysere hver gravitationsbølge, der er detekteret til dato.

"Med avanceret LIGO forventer vi at observere en begivenhed hver dag eller hver anden dag, dette vil byde på en stor beregningsmæssig udfordring, og så alt hjælper, " sagde han. "Med denne nye LIGO-klynge, det, vi har gjort, er at sikre nok ressourcer til at være fuldstændig uafhængige i vores analyser. ICS og Penn State muliggør denne udfordrende videnskab. Uden denne nye klynge, vi ville blive meget alvorligt hæmmet fra at udføre den videnskab, som vi ønsker at gøre."