Geïnspireerd door de sciencefiction van de ruimtevarende Romulans van Star Trek, astrofysici hebben XSEDE-toegewezen supercomputers gebruikt om kosmologische computersimulaties genaamd RomulusC te ontwikkelen, waarbij de 'C' staat voor cluster van sterrenstelsels. Met een focus op de fysica van zwarte gaten, RomulusC heeft enkele van de hoogste resolutiesimulaties ooit van clusters van sterrenstelsels geproduceerd, die honderden of zelfs duizenden sterrenstelsels kan bevatten.

Op Star Trek, de Romulans dreven hun ruimteschepen aan met een kunstmatig zwart gat. In werkelijkheid, het blijkt dat zwarte gaten de vorming van sterren en de evolutie van hele sterrenstelsels kunnen aansturen. En dit werk aan clusters van melkwegstelsels helpt wetenschappers het onbekende universum in kaart te brengen.

Een studie van oktober 2019 leverde resultaten op van RomulusC-simulaties, gepubliceerd in de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society . Het onderzocht het geïoniseerde gas van voornamelijk waterstof en helium in en rond het intraclustermedium, die de ruimte tussen sterrenstelsels in een cluster van sterrenstelsels vult.

Heet, dicht gas van meer dan een miljoen graden Kelvin vult de binnenste cluster met ongeveer uniforme metalliciteit. Koel-warm gas tussen tienduizend en een miljoen graden Kelvin schuilt in fragmentarische distributies aan de rand, met een grotere verscheidenheid aan metalen. Ziet eruit als de staart van een kwal, het koel-warme gas volgt het proces van sterrenstelsels die in de cluster vallen en hun gas verliezen. Het gas wordt ontdaan van het vallende melkwegstelsel en vermengt zich uiteindelijk met het binnenste gebied van het melkwegcluster.

"We ontdekken dat er een aanzienlijke hoeveelheid van dit koel-warm gas in clusters van sterrenstelsels is, " zei co-auteur van de studie Iryna Butsky, een doctoraat Student aan de afdeling Sterrenkunde aan de Universiteit van Washington. "We zien dat dit koel-warme gas traceert op extreem verschillende en complementaire structuren in vergelijking met het hete gas. En we voorspellen ook dat deze koel-warme component nu kan worden waargenomen met bestaande instrumenten zoals de Hubble Space Telescope Cosmic Origins Spectrograph."

Wetenschappers beginnen net het intraclustermedium te onderzoeken, die zo diffuus zijn dat de emissies onzichtbaar zijn voor huidige telescopen. Wetenschappers gebruiken RomulusC om clusters indirect te zien met behulp van het ultraviolette (UV) licht van quasars, die fungeren als een baken dat door het gas schijnt. Het gas absorbeert UV-licht, en het resulterende spectrum levert dichtheid op, temperatuur, en metalliciteitsprofielen bij analyse met instrumenten zoals de Cosmic Origins Spectrograph aan boord van de Hubble Space Telescope.

"Een heel cool ding over simulaties is dat we weten wat er overal in de gesimuleerde doos gebeurt, "Zei Butsky. "We kunnen enkele synthetische waarnemingen doen en ze vergelijken met wat we daadwerkelijk zien in absorptiespectra en dan de punten verbinden en overeenkomen met de waargenomen spectra en proberen te begrijpen wat er echt aan de hand is in deze gesimuleerde doos."

Ze pasten een softwaretool toe genaamd Trident, ontwikkeld door Cameron Hummels van Caltech en collega's, die de synthetische absorptielijnspectra gebruikt en een beetje ruis en instrument-eigenaardigheden toevoegt die bekend zijn over de HST.

"Het eindresultaat is een zeer realistisch ogend spectrum dat we direct kunnen vergelijken met bestaande waarnemingen, "Zei Butsky. "Maar, wat we niet kunnen doen met waarnemingen is driedimensionale informatie reconstrueren uit een eendimensionaal spectrum. Dat is wat de kloof tussen observaties en simulaties overbrugt."

Een belangrijke veronderstelling achter de RomulusC-simulaties die worden ondersteund door de nieuwste wetenschap, is dat het gas waaruit het intracluster-medium bestaat, op zijn minst gedeeltelijk afkomstig is uit de sterrenstelsels zelf. "We moeten modelleren hoe dat gas uit de sterrenstelsels komt, wat gebeurt door het afgaan van supernova's, en supernova's afkomstig van jonge sterren, " zei studie co-auteur Tom Quinn, een professor in de astronomie aan de Universiteit van Washington. Dat betekent een dynamisch bereik van meer dan een miljard om mee te kampen.

Bovendien, clusters vormen niet geïsoleerd, dus er moet rekening worden gehouden met hun omgeving.

Dan is er een computationele uitdaging die specifiek is voor clusters. "De meeste rekenacties vinden plaats in het centrum van het cluster. Ook al simuleren we een veel groter volume, het grootste deel van de berekening gebeurt op een bepaalde plek. Er is een uitdaging van, terwijl je dit probeert te simuleren op een grote supercomputer met tienduizenden kernen, hoe verdeel je die berekening over die kernen, ' zei Quinn.

Quinn is geen onbekende in computationele uitdagingen. Sinds 1995, hij heeft de middelen van XSEDE gebruikt, de Extreme Science and Engineering Discovery-omgeving, gefinancierd door de National Science Foundation (NSF).

"In de loop van mijn carrière het vermogen van de NSF om high-end computing te bieden, heeft bijgedragen aan de algehele ontwikkeling van de simulatiecode die dit heeft geproduceerd, "zei Quinn. "Het duurt even voordat deze parallelle codes zijn ontwikkeld. En XSEDE heeft me gedurende die ontwikkelingsperiode gesteund. Toegang tot een verscheidenheid aan high-end machines heeft geholpen bij de ontwikkeling van de simulatiecode."

RomulusC begon als een proof-of-concept met vriendelijke gebruikerstijd op het Stampede2-systeem in het Texas Advanced Computing Center (TACC), toen de Knights Landing-processors voor het eerst beschikbaar kwamen. "Ik kreeg hulp van het TACC-personeel om de code op de veelkern, 68 core-per-chip-machines."

Quinn en collega's hebben RomulusC uiteindelijk opgeschaald naar 32, 000 processors en voltooide de simulatie op het Blue Waters-systeem van het National Center for Supercomputing Applications. Onderweg, het gebruikte ook de NASA Pleiades-supercomputer en het XSEDE-toegewezen Comet-systeem in het San Diego Supercomputer Center, een georganiseerde onderzoekseenheid van de Universiteit van Californië in San Diego.

"Komeet vult een bepaalde niche, zei Quinn. "Het heeft grote geheugenknooppunten beschikbaar. Bepaalde aspecten van de analyse, bijvoorbeeld het identificeren van de sterrenstelsels, is niet eenvoudig te doen op een gedistribueerde geheugenmachine. Het was zeer nuttig om de grote machine met gedeeld geheugen beschikbaar te hebben. In zekere zin, we hoefden dat specifieke aspect van de analyse niet volledig te parallelliseren. Dat is het belangrijkste, met de big data-machine."

"Zonder XSEDE, we hadden deze simulatie niet kunnen doen, "Vertelde Quinn. "Het is in wezen een vermogenssimulatie. We hadden de mogelijkheid nodig om de simulatie daadwerkelijk uit te voeren, maar ook de mogelijkheden van de analysemachines."

De volgende generatie simulaties wordt gemaakt met behulp van het door de NSF gefinancierde Frontera-systeem, de snelste academische supercomputer en momenteel de #5 snelste van alle ter wereld. "Op dit moment op Frontera, we doen runs met een hogere resolutie van individuele sterrenstelsels, "Zei Quinn. "Sinds we met deze simulaties begonnen, we hebben gewerkt aan het bewijzen hoe we de stervorming modelleren. En natuurlijk hebben we meer rekenkracht, dus gewoon puur hogere massa resolutie, opnieuw, om onze simulaties van individuele sterrenstelsels realistischer te maken. Meer en grotere clusters zou ook goed zijn, ' voegde Quinn eraan toe.

Butsky zei:"Wat ik echt cool vind aan het gebruik van supercomputers om het universum te modelleren, is dat ze een unieke rol spelen door ons in staat te stellen experimenten te doen. In veel van de andere wetenschappen, je hebt een lab waar je je theorieën kunt testen. Maar in de astronomie je kunt een pen en papier-theorie bedenken en het universum observeren zoals het is. Maar zonder simulaties, het is erg moeilijk om deze tests uit te voeren omdat het moeilijk is om enkele van de extreme verschijnselen in de ruimte te reproduceren, zoals temporele schalen en het verkrijgen van de temperaturen en dichtheden van sommige van deze extreme objecten. Simulaties zijn enorm belangrijk om vooruitgang te kunnen boeken in theoretisch werk."

De studie, "Ultraviolette handtekeningen van de meerfasige intracluster en Circumgalactische media in de RomulusC-simulatie, " werd in oktober 2019 gepubliceerd in de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society . De co-auteurs van de studie zijn Iryna S. Butsky, Thomas R. Quinn, en Jessica K. Werk van de Universiteit van Washington; Joseph N. Burchett van UC Santa Cruz, en Daisuke Nagai en Michael Tremmel van Yale University. Studiefinanciering kwam van de NSF en NASA.