Inspirerad av science fiction från de rymdfarande Romulanerna från Star Trek, astrofysiker har använt XSEDE-allokerade superdatorer för att utveckla kosmologiska datorsimuleringar som kallas RomulusC, där "C" står för galaxhop. Med fokus på svarta håls fysik, RomulusC har producerat några av de högsta upplösningssimuleringarna någonsin av galaxhopar, som kan innehålla hundratals eller till och med tusentals galaxer.

På Star Trek, romulanerna drev sina rymdskepp med ett konstgjort svart hål. I verkligheten, det visar sig att svarta hål kan driva bildandet av stjärnor och utvecklingen av hela galaxer. Och detta galaxklusterarbete hjälper forskare att kartlägga det okända universum.

En studie från oktober 2019 gav resultat från RomulusC-simuleringar, publicerad i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society . Den undersökte den joniserade gasen av huvudsakligen väte och helium i och kring intraklustermediet, som fyller utrymmet mellan galaxer i en galaxhop.

Varm, tät gas på mer än en miljon grader Kelvin fyller det inre klustret med ungefär enhetlig metallicitet. Svalvarm gas mellan tiotusen och en miljon grader Kelvin lurar i fläckiga distributioner i utkanten, med större variation av metaller. Ser ut som svansen på en manet, den kallvarma gasen spårar processen med galaxer som faller in i klustret och förlorar sin gas. Gasen tas bort från den fallande galaxen och blandas så småningom med det inre området av galaxhopen.

"Vi finner att det finns en betydande mängd av denna kallvarma gas i galaxhopar, " sa studiens medförfattare Iryna Butsky, en Ph.D. Student vid institutionen för astronomi vid University of Washington. "Vi ser att denna kallvarma gas spårar sig i extremt olika och komplementära strukturer jämfört med den heta gasen. Och vi förutspår också att denna kallvarma komponent kan observeras nu med befintliga instrument som Hubble Space Telescope Cosmic Origins Spectrograph."

Forskare har precis börjat undersöka intraklustermediet, som är så diffusa att dess utsläpp är osynliga för alla nuvarande teleskop. Forskare använder RomulusC för att se kluster som indirekt använder det ultravioletta (UV) ljuset från kvasarer, som fungerar som en fyr som lyser genom gasen. Gasen absorberar UV-ljus, och det resulterande spektrumet ger densitet, temperatur, och metallicitetsprofiler när de analyseras med instrument som Cosmic Origins Spectrograph ombord på rymdteleskopet Hubble.

"En riktigt cool sak med simuleringar är att vi vet vad som händer överallt inuti den simulerade lådan, " Sa Butsky. "Vi kan göra några syntetiska observationer och jämföra dem med vad vi faktiskt ser i absorptionsspektra och sedan koppla ihop prickarna och matcha de spektra som observeras och försöka förstå vad som verkligen händer i denna simulerade låda."

De tillämpade ett mjukvaruverktyg som heter Trident utvecklat av Cameron Hummels från Caltech och kollegor som tar de syntetiska absorptionslinjespektra och lägger till lite brus och instrumentegenheter som är kända om HST.

"Slutresultatet är ett mycket realistiskt spektrum som vi direkt kan jämföra med befintliga observationer, " Sa Butsky. "Men, vad vi inte kan göra med observationer är att rekonstruera tredimensionell information från ett endimensionellt spektrum. Det är det som överbryggar gapet mellan observationer och simuleringar."

Ett nyckelantagande bakom RomulusC-simuleringarna som stöds av den senaste vetenskapen är att gasen som utgör intraklustermediet har sitt ursprung åtminstone delvis i själva galaxerna. "Vi måste modellera hur den gasen kommer ut ur galaxerna, som sker genom att supernovor slocknar, och supernovor som kommer från unga stjärnor, " sa studiens medförfattare Tom Quinn, professor i astronomi vid University of Washington. Det innebär ett dynamiskt omfång på mer än en miljard att kämpa med.

Vad mer, kluster bildas inte isolerat, så deras miljö måste beaktas.

Sedan finns det en beräkningsutmaning som är speciell för kluster. "Det mesta av beräkningsåtgärderna sker i mitten av klustret. Även om vi simulerar en mycket större volym, det mesta av beräkningen sker på en viss plats. Det finns en utmaning, när du försöker simulera detta på en stor superdator med tiotusentals kärnor, hur fördelar du den beräkningen över dessa kärnor, " sa Quinn.

Quinn är inte främmande för beräkningsutmaningar. Sedan 1995, han har använt XSEDEs resurser, Extreme Science and Engineering Discovery Environment, finansierat av National Science Foundation (NSF).

"Under loppet av min karriär, NSF:s förmåga att tillhandahålla avancerad datoranvändning har hjälpt till den övergripande utvecklingen av simuleringskoden som producerade detta, " sa Quinn. "Dessa parallella koder tar ett tag att utveckla. Och XSEDE har stöttat mig under hela utvecklingsperioden. Tillgång till en mängd avancerade maskiner har hjälpt till med utvecklingen av simuleringskoden."

RomulusC började som ett proof-of-concept med vänlig användartid på Stampede2-systemet vid Texas Advanced Computing Center (TACC), när Knights Landing-processorerna först blev tillgängliga. "Jag fick hjälp av TACC-personalen med att få igång koden på många kärnor, Maskiner med 68 kärnor per chip."

Quinn och kollegor skalade så småningom upp RomulusC till 32, 000 processorer och genomförde simuleringen på Blue Waters-systemet för National Center for Supercomputing Applications. Längs vägen, den använde också NASA Pleiades superdator och XSEDE-allokerade Comet-systemet vid San Diego Supercomputer Center, en organiserad forskningsenhet vid University of California San Diego.

"Comet fyller en viss nisch, sa Quinn. "Den har stora minnesnoder tillgängliga. Särskilda aspekter av analysen, till exempel att identifiera galaxerna, är inte lätt att göra på en distribuerad minnesmaskin. Att ha den stora delade minnesmaskinen tillgänglig var mycket fördelaktigt. På sätt och vis, vi behövde inte helt parallellisera den specifika aspekten av analysen. Det är huvudsaken, ha den stora datamaskinen."

"Utan XSEDE, vi kunde inte ha gjort den här simuleringen, Quinn berättade. "Det är i grunden en kapacitetssimulering. Vi behövde förmågan att faktiskt göra simuleringen, men också analysmaskinernas förmåga."

Nästa generation av simuleringar görs med det NSF-finansierade Frontera-systemet, den snabbaste akademiska superdatorn och för närvarande den #5 snabbaste av alla i världen. "Just nu på Frontera, vi kör med högre upplösning av enskilda galaxer, ", sa Quinn. "Sedan vi startade dessa simuleringar, vi har arbetat med att bevisa hur vi modellerar stjärnbildningen. Och naturligtvis har vi mer beräkningskraft, så bara högre massupplösning, på nytt, för att göra våra simuleringar av enskilda galaxer mer realistiska. Fler och större kluster skulle också vara bra, " tillade Quinn.

Said Butsky:"Vad jag tycker är riktigt coolt med att använda superdatorer för att modellera universum är att de spelar en unik roll för att tillåta oss att göra experiment. I många av de andra vetenskaperna, du har ett labb där du kan testa dina teorier. Men inom astronomi, du kan komma med en penna och papper teori och observera universum som det är. Men utan simuleringar, det är väldigt svårt att köra dessa tester eftersom det är svårt att reproducera några av de extrema fenomenen i rymden, som tidsskalor och att få temperaturerna och densiteten för några av dessa extrema föremål. Simuleringar är oerhört viktiga för att kunna göra framsteg i det teoretiska arbetet."

Studien, "Ultravioletta signaturer av multifas intrakluster och Circumgalactic Media i RomulusC-simuleringen, " publicerades i oktober 2019 i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society . Studiens medförfattare är Iryna S. Butsky, Thomas R. Quinn, och Jessica K. Werk från University of Washington; Joseph N. Burchett från UC Santa Cruz, och Daisuke Nagai och Michael Tremmel från Yale University. Studiefinansiering kom från NSF och NASA.