in 2016, een internationaal team van wetenschappers vond definitief bewijs - kleine rimpelingen in de ruimte die bekend staan ​​als zwaartekrachtsgolven - ter ondersteuning van een van de laatst overgebleven niet-geteste voorspellingen van Einsteins algemene relativiteitstheorie. Het team gebruikte de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), die sindsdien verschillende zwaartekrachtsgolfontdekkingen heeft gedaan. Elke ontdekking was mede mogelijk dankzij een wereldwijd netwerk van supercomputerclusters, waarvan er één is gehuisvest in Penn State. Onderzoekers gebruiken dit netwerk, bekend als het LIGO Data Grid, om de zwaartekrachtsgolfgegevens te analyseren.

Penn State heeft onlangs geïnvesteerd in een upgrade van zijn deel van het dataraster, waardoor de capaciteit van het cluster voor het uitvoeren van baanbrekend astronomisch en astrofysisch onderzoek ruwweg zal verviervoudigen. Het nieuwe cluster, 192 servers die samenwerken, wordt beheerd door het Institute for CyberScience (ICS). Bangalore Sathyaprakash, hoogleraar sterrenkunde en astrofysica en Elsbach hoogleraar natuurkunde; en Tsjaad Hanna, universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie en astrofysica, en ICS co-ingehuurd faculteitslid, zijn de primaire onderzoekers die het nieuwe systeem zullen gebruiken met hun onderzoeksteam en medewerkers.

Faculteits- en studentenonderzoek versnellen

"Bij Penn State zijn we betrokken bij alle aspecten van zwaartekrachtsgolfastronomie, die we gebruiken om over het universum te leren, " zei Sathyaprakash. "Tot de ontdekking van zwaartekrachtsgolven, de enige manier waarop we het universum konden observeren was door licht te gebruiken, radiogolven of gammastralen, die allemaal tot het elektromagnetische spectrum behoren. Gravitatiegolven stellen ons in staat om een ​​complementair beeld van het universum te creëren en processen en fenomenen te onthullen die anders niet zouden worden onthuld door elektromagnetische observatie."

Het nieuwe cluster zal de snelheid waarmee onderzoekers de analyse kunnen voltooien enorm verhogen, volgens Chad Hanna. Hij en zijn collega's hebben onlangs het eerste onderzoek afgerond dat gebruikmaakte van gegevens die zijn opgeslagen op het LIGO-cluster van Penn State. Het team ontwierp een experiment om het aantal binaire zwarte gaten in het universum te kwantificeren die minder massa hebben dan de zon, wat gevolgen kan hebben voor de hoeveelheid donkere materie in het heelal.

"Onze eerste studie die uitsluitend het Penn State LIGO-cluster gebruikte, duurde 12 weken, ", zei Hanna. "Als we vandaag hetzelfde onderzoek naar het verbeterde cluster zouden afronden, het zou maar drie weken duren."

De upgrade verhoogt het cluster van 1, 152 rekenkernen naar 4, 608 kernen, waardoor meer onderzoekers het systeem tegelijkertijd kunnen gebruiken. Als referentie, dit is ongeveer gelijk aan meer dan 1, 000 desktopcomputers die samenwerken.

"Ik ben het meest enthousiast over de extra machines, " zei Ryan Magee, afgestudeerde student natuurkunde. "Het zorgt ervoor dat meerdere analyses tegelijk kunnen worden uitgevoerd zonder veel knelpunten."

Magee is van plan om de cluster te gebruiken om te zoeken naar sub-solar massa-compacte objecten in het universum, hij zei, omdat "ze niet worden geproduceerd door stellaire mechanismen, dus het zou een hint van nieuwe fysica zijn."

Onderzoekers op alle niveaus zullen de nieuwe bron gebruiken, inclusief niet-gegradueerde studenten zoals Phoebe McClincy, een tweedejaarsstudent astronomie en astrofysica, en een millenniumgeleerde. McClincy werd voor het eerst blootgesteld aan onderzoek naar zwaartekrachtgolven toen een middelbare scholier een zomerkamp in Penn State bijwoonde onder leiding van Hanna.

"Tijdens dat zomerkamp kreeg ik eigenlijk de kans om het cluster te bezoeken, en ik herinner me dat ik het heel cool en fascinerend vond om de andere kant van de computer te zien, " zei McClincy, nu lid van Hanna's onderzoeksteam. "Ik heb altijd gedacht dat technologie als deze geweldig is, dus ik kan niet wachten om te zien wat er kan worden gedaan nu het nog geavanceerder zal zijn."

Capaciteit opbouwen voor toekomstige LIGO-ontdekkingen

De eerste iteratie van LIGO's observatoria verzamelde gegevens van 2002 tot 2010, maar detecteerde geen zwaartekrachtgolven. De observatoria upgraden naar hun huidige staat, bekend als Geavanceerde LIGO, hun detectiemogelijkheden aanzienlijk vergroot, en, als resultaat, het systeem heeft sinds 2016 zes zwaartekrachtsgolfgebeurtenissen gedetecteerd.

Sathyaprakash zei dat er plannen zijn om door te gaan met het verbeteren van de detectiemogelijkheden van observatoria voor zwaartekrachtgolven, wat zowel kansen als uitdagingen voor onderzoekers zal opleveren.

"Wanneer geavanceerde LIGO zijn ontwerpgevoeligheid bereikt, we zullen binaire botsingen van zwarte gaten tot tientallen miljarden lichtjaren waarnemen en binaire neutronensterren versmelten miljarden lichtjaren van ons vandaan. Met de bouw in de jaren 2030 van nieuwe detectoren die 10 keer gevoeliger zijn dan de huidige, we zullen in staat zijn om het hele universum te observeren in zwaartekrachtsgolven voor zwarte gaten en het grootste deel van het universum voor neutronensterren, " hij zei.

Daarbij komen nog uitdagingen bij het verzamelen, het opslaan en analyseren van grote hoeveelheden data. Het heeft tussen de één en drie maanden geduurd om elke tot nu toe gedetecteerde zwaartekrachtgolf te analyseren.

"Met geavanceerde LIGO verwachten we elke dag of om de dag een evenement te observeren, dit zal een enorme rekenkundige uitdaging bieden, en zo helpen alle beetjes, " zei hij. "Met dit nieuwe LIGO-cluster, wat we hebben gedaan is om voldoende middelen veilig te stellen om volledig onafhankelijk te zijn in het doen van onze analyses. ICS en Penn State maken deze uitdagende wetenschap mogelijk. Zonder deze nieuwe cluster, we zouden zeer ernstig worden belemmerd in het doen van de wetenschap die we willen doen."