Les chercheurs ont utilisé le supercalculateur Frontera pour créer des simulations PRIYA, analysant la lumière des quasars afin d’améliorer la compréhension de la structure de l’univers et d’affiner les paramètres cosmologiques clés, remettant en question les modèles cosmologiques précédents.
Les simulations des données spectrales de la forêt Lyman-𝛼 réalisées par le supercalculateur PRIYA, le plus grand du genre, illustrent la structure à grande échelle de l’univers.
Les quasars lointains brillent comme des phares cosmiques, produisant la lumière la plus brillante de l’univers. Ces quasars éclipsent même l’ensemble de notre voie Lactée galaxie en termes d’émission de lumière. Cette immense lumière provient de la matière déchirée alors qu’elle est consommée par un corps supermassif. trou noir. Les paramètres cosmologiques constituent des outils numériques cruciaux pour les astronomes, leur permettant de suivre l’évolution de l’univers des milliards d’années après la création de l’Univers. Big Bang.
La lumière des quasars révèle des indices sur la structure à grande échelle de l’univers lorsqu’elle brille à travers d’énormes nuages d’hydrogène neutre formés peu après le Big Bang, à l’échelle de 20 millions d’années-lumière ou plus.
Avancées de la technologie de simulation
En utilisant les données de lumière des quasars, le supercalculateur Frontera du Texas Advanced Computing Center (TACC), financé par la National Science Foundation (NSF), a aidé les astronomes à développer PRIYA, la plus grande suite de simulations hydrodynamiques jamais conçue pour simuler une structure à grande échelle dans l’univers.
« Nous avons créé un nouveau modèle de simulation pour comparer les données existantes dans l’univers réel », a déclaré Simeon Bird, professeur adjoint d’astronomie à l’Université de Californie à Riverside.
Frontera du TACC, le supercalculateur universitaire le plus rapide des États-Unis, est un système informatique stratégique national financé par la National Science Foundation. Crédit : TACC
Bird et ses collègues ont développé PRIYA, qui prend des données de lumière optique provenant de l’étude spectroscopique d’oscillation baryonique étendue (eBOSS) du Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Lui et ses collègues ont publié leurs travaux annonçant PRIYA en octobre 2023 dans le Journal de cosmologie et de physique des astroparticules (JCAP).
« Nous comparons les données eBOSS à une variété de modèles de simulation avec différents paramètres cosmologiques et différentes conditions initiales de l’univers, telles que différentes densités de matière », a expliqué Bird. « Vous trouvez celui qui fonctionne le mieux et jusqu’où vous pouvez vous en éloigner sans rompre l’accord raisonnable entre les données et les simulations. Cette connaissance nous indique la quantité de matière qu’il y a dans l’univers ou la quantité de structure qu’il y a dans l’univers.
Le rôle de PRIYA dans la recherche cosmologique
La suite de simulation PRIYA est connectée à des simulations cosmologiques à grande échelle également co-développées par Bird, appelées ASTRID, qui sont utilisées pour étudier la formation des galaxies, la coalescence des trous noirs supermassifs et la période de réionisation au début de l’histoire de l’univers. . PRIYA va encore plus loin. Il utilise les informations sur la galaxie et les règles de formation des trous noirs trouvées dans ASTRID et modifie les conditions initiales.
« Avec ces règles, nous pouvons prendre le modèle que nous avons développé qui correspond aux galaxies et aux trous noirs, puis modifier les conditions initiales et le comparer aux données forestières Lyman-𝛼 d’eBOSS de l’hydrogène neutre », a déclaré Bird.
La « forêt Lyman-𝛼 » tire son nom de la « forêt » de raies d’absorption rapprochées sur un graphique du spectre des quasars résultant des transitions électroniques entre les niveaux d’énergie dans les atomes d’hydrogène neutre. La « forêt » indique la répartition, la densité et la température d’énormes nuages intergalactiques d’hydrogène neutre. De plus, l’aspect grumeleux du gaz indique la présence de matière noire, une substance hypothétique qui ne peut pas encore être vue, comme en témoigne son tiraillement observé sur les galaxies.
Affiner les paramètres cosmologiques avec PRIYA
Les simulations PRIYA ont été utilisées pour affiner les paramètres cosmologiques dans des travaux soumis au JCAP en septembre 2023 et rédigés par Simeon Bird et ses collègues de l’UC Riverside, MA Fernandez et Ming-Feng Ho.
L’analyse précédente des paramètres de masse des neutrinos n’était pas en accord avec les données du rayonnement de fond cosmique micro-ondes (CMB), décrit comme la rémanence du Big Bang. Les astronomes utilisent les données CMB de l’observatoire spatial Plank pour imposer des contraintes strictes sur la masse des neutrinos. Les neutrinos sont la particule la plus abondante dans l’univers. Il est donc important de déterminer leur valeur de masse pour les modèles cosmologiques de la structure à grande échelle de l’univers.
« Nous avons effectué une nouvelle analyse avec des simulations beaucoup plus vastes et mieux conçues qu’auparavant. Les divergences antérieures avec les données Planck CMB ont disparu et ont été remplacées par une autre tension, similaire à celle observée dans d’autres mesures de structures à grande échelle à faible redshift », a déclaré Bird. « Le principal résultat de l’étude est de confirmer que la tension σ8 entre les mesures du CMB et la faible lentille existe jusqu’au redshift 2, il y a dix milliards d’années. »
Un paramètre bien contraint de l’étude PRIYA concerne σ8, qui correspond à la quantité de structures neutres d’hydrogène gazeux sur une échelle de 8 mégaparsecs, soit 2,6 millions d’années-lumière. Cela indique le nombre d’amas de matière noire qui flottent là-bas », a déclaré Bird.
Un autre paramètre contraint était ns, l’indice spectral scalaire. Cela est lié à la façon dont la maladresse de la matière noire varie en fonction de la taille de la région analysée. Cela indique à quelle vitesse l’univers s’est étendu quelques instants seulement après le Big Bang.
« L’indice spectral scalaire détermine dès le début le comportement de l’univers. L’idée générale de PRIYA est de déterminer les conditions initiales de l’univers et le comportement de la physique des hautes énergies de l’univers », a déclaré Bird.
L’impact du calcul intensif sur les études cosmologiques
Les supercalculateurs étaient nécessaires pour les simulations PRIYA, a expliqué Bird, simplement parce qu’ils étaient si gros.
« Les besoins en mémoire pour les simulations PRIYA sont si importants qu’il est impossible de les placer sur autre chose qu’un superordinateur », a déclaré Bird.
TACC a attribué à Bird une allocation de ressources de leadership sur le supercalculateur Frontera. De plus, des calculs d’analyse ont été effectués à l’aide des ressources du cluster informatique haute performance UC Riverside.
Les simulations PRIYA sur Frontera comptent parmi les plus grandes simulations cosmologiques jamais réalisées, nécessitant plus de 100 000 heures de base pour simuler un système de 3 072^3 (environ 29 milliards) de particules dans une « boîte » de 120 mégaparsecs de bord, soit environ 3,91 millions de lumière. -années à travers. Les simulations PRIYA ont consommé plus de 600 000 heures de nœud sur Frontera.
« Frontera était très important pour la recherche car le supercalculateur devait être suffisamment grand pour que nous puissions exécuter une de ces simulations assez facilement, et nous devions en exécuter un grand nombre. Sans une initiative telle que Frontera, nous ne serions pas en mesure de les résoudre. Ce n’est pas que cela prendrait beaucoup de temps – ils ne seraient tout simplement pas capables de courir du tout », a déclaré Bird.
De plus, le système Ranch de TACC a fourni un stockage à long terme pour les données de simulation PRIYA.
« Le ranch est important, car nous pouvons désormais réutiliser PRIYA pour d’autres projets. Cela pourrait doubler ou tripler notre impact scientifique », a déclaré Bird.
« Notre appétit pour plus de puissance de calcul est insatiable », a conclu Bird. « C’est fou que nous soyons assis ici sur cette petite planète à observer la majeure partie de l’univers. »
L’étude a été financée par la National Science Foundation et NASA Quartier général
