2016, ett internationellt team av forskare hittade definitiva bevis – små krusningar i rymden som kallas gravitationsvågor – för att stödja en av de sista kvarvarande oprövade förutsägelserna av Einsteins allmänna relativitetsteori. Teamet använde Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), som sedan har gjort flera gravitationsvågupptäckter. Varje upptäckt var möjlig delvis på grund av ett globalt nätverk av superdatorkluster, varav en är inhyst i Penn State. Forskare använder detta nätverk, känd som LIGO Data Grid, att analysera gravitationsvågdata.

Penn State investerade nyligen i en uppgradering av sin del av datanätet som ungefär kommer att fyrdubbla klustrets kapacitet för att bedriva spjutspetsforskning inom astronomi och astrofysik. Det nya klustret, 192 servrar som arbetar tillsammans, administreras av Institute for CyberScience (ICS). Bangalore Sathyaprakash, professor i astronomi och astrofysik och Elsbach professor i fysik; och Chad Hanna, docent i fysik och astronomi och astrofysik, och ICS medanställd fakultetsmedlem, är de primära forskarna som kommer att använda det nya systemet med sin forskargrupp och samarbetspartners.

Påskynda fakultets- och studentforskningen

"På Penn State är vi involverade i alla aspekter av gravitationsvågastronomi, som vi använder för att lära oss om universum, " sa Sathyaprakash. "Tills upptäckten av gravitationsvågor, det enda sättet vi kunde observera universum var att använda ljus, radiovågor eller gammastrålar, som alla tillhör det elektromagnetiska spektrumet. Gravitationsvågor tillåter oss att skapa en kompletterande bild av universum och avslöja processer och fenomen som annars inte skulle kunna avslöjas genom elektromagnetisk observation."

Det nya klustret kommer att avsevärt öka hastigheten med vilken forskare kan slutföra analys, enligt Chad Hanna. Han och kollegor avslutade nyligen den första studien som använde data från Penn States LIGO-kluster. Teamet designade ett experiment för att kvantifiera antalet binära svarta hål i universum som har mindre massa än solen, vilket kan ha konsekvenser för mängden mörk materia i universum.

"Vår första studie som enbart använde Penn State LIGO-klustret tog 12 veckor, " sa Hanna. "Om vi ​​skulle slutföra samma utredning om det uppgraderade klustret idag, det skulle bara ta tre veckor."

Uppgraderingen ökar klustret från 1, 152 beräkningskärnor till 4, 608 kärnor, vilket gör att fler forskare kan använda systemet samtidigt. Som referens, detta motsvarar ungefär mer än 1, 000 stationära datorer som arbetar unisont.

"Jag är mest exalterad över de extra maskinerna, sa Ryan Magee, doktorand i fysik. "Det gör det möjligt för flera analyser att köras samtidigt utan mycket flaskhalsar."

Magee planerar att använda klustret för att söka efter kompakta objekt under solen i universum, han sa, eftersom "de inte produceras av stjärnmekanismer, så det skulle vara en antydan till ny fysik."

Forskare på alla nivåer kommer att använda den nya resursen, inklusive studenter som Phoebe McClincy, en sophomore som studerar astronomi och astrofysik, och en Millennium Scholar. McClincy exponerades först för gravitationsvågsforskning som gymnasieelev som deltog i ett Penn State sommarläger ledd av Hanna.

"Under det sommarlägret fick jag faktiskt möjlighet att besöka klustret, och jag minns att jag tyckte det var riktigt coolt och fascinerande att se andra sidan av datorn, sa McClincy, nu medlem i Hannas forskargrupp. "Jag har alltid tyckt att teknik som denna är fantastisk, så jag kan inte vänta på att se vad som kan göras nu när det kommer att bli ännu mer avancerat."

Bygga kapacitet för framtida LIGO-fyndigheter

Den första iterationen av LIGOs observatorier samlade in data från 2002 till 2010 men upptäckte inga gravitationsvågor. Uppgradera observatorierna till deras nuvarande tillstånd, känd som Advanced LIGO, ökade avsevärt deras upptäcktsförmåga, och, som ett resultat, systemet har upptäckt sex gravitationsvåghändelser sedan 2016.

Sathyaprakash sa att det finns planer på att fortsätta att förbättra detekteringsförmågan hos gravitationsvågsobservatorier, vilket kommer att innebära både möjligheter och utmaningar för forskare.

"När avancerade LIGO når sin designkänslighet, vi kommer att observera binära svarta hålskollisioner så långt som tiotals miljarder ljusår och binär neutronstjärna slår samman miljarder ljusår bort. Med konstruktionen på 2030-talet av nya detektorer som är 10 gånger känsligare än de nuvarande, vi kommer att kunna observera hela universum i gravitationsvågor för svarta hål och större delen av universum för neutronstjärnor, " han sa.

Att komma med det kommer att bli utmaningar med att samla, lagra och analysera enorma mängder data. Det har tagit mellan en och tre månader att analysera varje gravitationsvåg som hittills upptäckts.

"Med avancerad LIGO förväntar vi oss att observera en händelse varje dag eller varannan dag, detta kommer att erbjuda en enorm beräkningsutmaning, och så hjälper allt, " sa han. "Med detta nya LIGO-kluster, vad vi har gjort är att säkra tillräckligt med resurser för att vara helt oberoende i våra analyser. ICS och Penn State möjliggör denna utmanande vetenskap. Utan detta nya kluster, vi skulle bli mycket allvarligt hindrade från att göra den vetenskap som vi vill göra."