Simuleringer afslører detaljer om galaksehobe

Inspireret af science fiction fra de rumfarende Romulaner of Star Trek, astrofysikere har brugt XSEDE-allokerede supercomputere til at udvikle kosmologiske computersimuleringer kaldet RomulusC, hvor 'C'et' står for galaksehob. Med fokus på sorte huls fysik, RomulusC har produceret nogle af de højeste opløsningssimuleringer nogensinde af galaksehobe, som kan indeholde hundreder eller endda tusindvis af galakser.

På Star Trek, romulanerne drev deres rumskibe med et kunstigt sort hul. I virkeligheden, det viser sig, at sorte huller kan drive dannelsen af ​​stjerner og udviklingen af ​​hele galakser. Og dette galaksehobearbejde hjælper videnskabsmænd med at kortlægge det ukendte univers.

En undersøgelse fra oktober 2019 gav resultater fra RomulusC-simuleringer, offentliggjort i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society . Den undersøgte den ioniserede gas af hovedsageligt brint og helium i og omkring intraclustermediet, som udfylder rummet mellem galakser i en galaksehob.

Hed, tæt gas på mere end en million grader Kelvin fylder den indre klynge med nogenlunde ensartet metallicitet. Kølig varm gas mellem ti tusind og en million grader Kelvin lurer i spredte fordelinger i udkanten, med et større udvalg af metaller. Ligner halen på en vandmand, den køligt-varme gas sporer processen med galakser, der falder ind i hoben og mister deres gas. Gassen bliver fjernet fra den faldende galakse og blandes til sidst med det indre område af galaksehoben.

"Vi finder ud af, at der er en betydelig mængde af denne kølige varme gas i galaksehobe, " sagde studie medforfatter Iryna Butsky, en ph.d. Studerende ved Institut for Astronomi ved University of Washington. "Vi ser, at denne kold-varme gas spores i ekstremt forskellige og komplementære strukturer sammenlignet med den varme gas. Og vi forudser også, at denne kold-varme komponent kan observeres nu med eksisterende instrumenter som Hubble Space Telescope Cosmic Origins Spectrograph."

Forskere er lige begyndt at undersøge intracluster-mediet, som er så diffuse, at dets emissioner er usynlige for alle nuværende teleskoper. Forskere bruger RomulusC til at hjælpe med at se klynger indirekte ved hjælp af det ultraviolette (UV) lys fra kvasarer, som fungerer som et fyrtårn, der skinner gennem gassen. Gassen absorberer UV-lys, og det resulterende spektrum giver tæthed, temperatur, og metallicitetsprofiler, når de analyseres med instrumenter som Cosmic Origins Spectrograph ombord på Hubble-rumteleskopet.

"En virkelig cool ting ved simuleringer er, at vi ved, hvad der foregår overalt inde i den simulerede boks, " sagde Butsky. "Vi kan lave nogle syntetiske observationer og sammenligne dem med, hvad vi faktisk ser i absorptionsspektre og derefter forbinde prikkerne og matche de spektre, der er observeret og prøve at forstå, hvad der virkelig foregår i denne simulerede boks."

De anvendte et softwareværktøj kaldet Trident udviklet af Cameron Hummels fra Caltech og kolleger, der tager de syntetiske absorptionslinjespektre og tilføjer en smule støj og instrumentegenskaber kendt om HST.

"Slutresultatet er et meget realistisk udseende spektrum, som vi direkte kan sammenligne med eksisterende observationer, " sagde Butsky. "Men, hvad vi ikke kan gøre med observationer er at rekonstruere tredimensionel information fra et endimensionelt spektrum. Det er det, der bygger bro mellem observationer og simuleringer."

En central antagelse bag RomulusC-simuleringerne understøttet af den seneste videnskab er, at gassen, der udgør intraclustermediet, i det mindste delvist stammer fra galakserne selv. "Vi er nødt til at modellere, hvordan den gas kommer ud af galakserne, som sker gennem supernovaer, der går i gang, og supernovaer, der kommer fra unge stjerner, " sagde studie medforfatter Tom Quinn, professor i astronomi ved University of Washington. Det betyder et dynamisk interval på mere end en milliard at kæmpe med.

Hvad mere er, klynger dannes ikke isoleret, så deres miljø skal tages i betragtning.

Så er der en beregningsmæssig udfordring, der er særlig for klynger. "Det meste af beregningshandlingen foregår i midten af ​​klyngen. Selvom vi simulerer et meget større volumen, det meste af beregningen foregår på et bestemt sted. Der er en udfordring, mens du prøver at simulere dette på en stor supercomputer med titusindvis af kerner, hvordan fordeler du den beregning på tværs af disse kerner, " sagde Quinn.

Quinn er ikke fremmed for beregningsmæssige udfordringer. Siden 1995, han har brugt XSEDEs ressourcer, Extreme Science and Engineering Discovery Environment, finansieret af National Science Foundation (NSF).

"I løbet af min karriere, NSF's evne til at levere high-end computing har hjulpet den overordnede udvikling af simuleringskoden, der producerede dette, " sagde Quinn. "Disse parallelle koder tager et stykke tid at udvikle. Og XSEDE har støttet mig i hele den udviklingsperiode. Adgang til en række avancerede maskiner har hjulpet med udviklingen af ​​simuleringskoden."

RomulusC startede som et proof-of-concept med venlig brugertid på Stampede2-systemet på Texas Advanced Computing Center (TACC), da Knights Landing-processorerne først blev tilgængelige. "Jeg fik hjælp fra TACC-personalet til at få koden op at køre på mange-kernen, 68 kerne pr. chip maskiner."

Quinn og kolleger opskalerede til sidst RomulusC til 32, 000 processorer og gennemførte simuleringen på Blue Waters-systemet fra National Center for Supercomputing Applications. Langs vejen, det brugte også NASA Pleiades-supercomputeren og det XSEDE-allokerede Comet-system på San Diego Supercomputer Center, en organiseret forskningsenhed ved University of California San Diego.

"Comet fylder en bestemt niche, sagde Quinn. "Den har store hukommelsesknuder til rådighed. Særlige aspekter af analysen, for eksempel at identificere galakserne, er ikke let at gøre på en distribueret hukommelsesmaskine. Det var meget gavnligt at have den store delte hukommelsesmaskine til rådighed. I en vis forstand, vi behøvede ikke fuldstændigt at parallelisere det særlige aspekt af analysen. Det er det vigtigste, have den store datamaskine."

"Uden XSEDE, vi kunne ikke have lavet denne simulering, Quinn fortalte. "Det er i bund og grund en kapacitetssimulering. Vi havde brug for evnen til rent faktisk at udføre simuleringen, men også analysemaskinernes kapacitet."

Den næste generation af simuleringer bliver lavet ved hjælp af det NSF-finansierede Frontera-system, den hurtigste akademiske supercomputer og i øjeblikket den #5 hurtigste af nogen i verden. "Lige nu på Frontera, vi kører med højere opløsning af individuelle galakser, " sagde Quinn. "Siden vi startede disse simuleringer, vi har arbejdet på at bevise, hvordan vi modellerer stjerneformationen. Og selvfølgelig har vi mere regnekraft, så bare rent højere masseopløsning, igen, at gøre vores simuleringer af individuelle galakser mere realistiske. Flere og større klynger ville også være godt, " tilføjede Quinn.

Butsky sagde:"Det, jeg synes er rigtig fedt ved at bruge supercomputere til at modellere universet, er, at de spiller en unik rolle i at tillade os at lave eksperimenter. I mange af de andre videnskaber, du har et laboratorium, hvor du kan teste dine teorier. Men i astronomi, du kan komme med en pen- og papirteori og observere universet, som det er. Men uden simuleringer, det er meget svært at køre disse test, fordi det er svært at gengive nogle af de ekstreme fænomener i rummet, som tidsmæssige skalaer og at få temperaturerne og tætheden af ​​nogle af disse ekstreme objekter. Simuleringer er ekstremt vigtige for at kunne gøre fremskridt i teoretisk arbejde."

Studiet, "Ultraviolette signaturer af multifase-intracluster og Circumgalactic Media i RomulusC-simuleringen, " blev offentliggjort i oktober 2019 i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society . Studiets medforfattere er Iryna S. Butsky, Thomas R. Quinn, og Jessica K. Werk fra University of Washington; Joseph N. Burchett fra UC Santa Cruz, og Daisuke Nagai og Michael Tremmel fra Yale University. Studiefinansiering kom fra NSF og NASA.