I ricercatori hanno utilizzato il supercomputer Frontera per creare simulazioni PRIYA, analizzando la luce dei quasar per migliorare la comprensione della struttura dell’universo e perfezionare i parametri cosmologici chiave, sfidando i precedenti modelli cosmologici.
I quasar distanti brillano come fari cosmici, producendo la luce più brillante dell’universo. Questi quasar superano persino la nostra intera galassia, la Via Lattea, in termini di emissione di luce. Questa immensa luce ha origine dalla materia che viene lacerata mentre viene consumata da un buco nero supermassiccio. I parametri cosmologici servono come strumenti numerici cruciali per gli astronomi, consentendo loro di tracciare l’evoluzione dell’universo miliardi di anni dopo il Big Bang.
La luce del quasar ha rivelato indizi sulla struttura su larga scala dell’universo mentre risplendeva attraverso enormi nubi di gas idrogeno neutro formatesi poco dopo il Big Bang su una scala di 20 milioni di anni luce o più.
PRIYA: progressi nella tecnologia di simulazione
Utilizzando i dati sulla luce dei quasar, il supercomputer Frontera del Texas Advanced Computing Center (TACC), finanziato dalla National Science Foundation (NSF), ha aiutato gli astronomi a sviluppare PRIYA, la più grande suite di simulazioni idrodinamiche mai realizzata per simulare strutture su larga scala nell’universo.
“Abbiamo creato un nuovo modello di simulazione per confrontare i dati esistenti nell’universo reale”, ha affermato Simeon Bird, assistente professore di astronomia presso l’Università della California, Riverside.
Bird e colleghi hanno sviluppato PRIYA, che ha acquisito dati sulla luce ottica dall’Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS) dello Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Lui e i suoi colleghi hanno pubblicato il loro lavoro annunciando PRIYA sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP).
“Abbiamo confrontato i dati eBOSS con una varietà di modelli di simulazione con diversi parametri cosmologici e diverse condizioni iniziali dell’universo, come diverse densità di materia”, ha spiegato Bird.
Il ruolo di PRIYA nella ricerca cosmologica
La suite di simulazione PRIYA è stata collegata a simulazioni cosmologiche su larga scala anch’esse co-sviluppate da Bird, chiamate ASTRID, che è stata utilizzata per studiare la formazione delle galassie, la coalescenza dei buchi neri supermassicci e il periodo di reionizzazione all’inizio della storia dell’universo. PRIYA ha fatto un ulteriore passo avanti prendendo le informazioni sulla galassie e regolandole alla formazione dei buchi neri trovate con ASTRID.
“Con queste regole, abbiamo preso il modello che abbiamo sviluppato che corrisponde a galassie e buchi neri, quindi abbiamo potuto modificare le condizioni iniziali per confrontarle con i dati della foresta Lyman-𝛼 di eBOSS del gas idrogeno neutro”, ha detto Bird.
La “foresta Lyman-𝛼” prende il nome dalla “foresta” di linee di assorbimento fitte su un grafico dello spettro dei quasar risultanti dalle transizioni elettroniche tra i livelli energetici negli atomi di idrogeno neutro. La “foresta” indica la distribuzione, la densità e la temperatura di enormi nubi intergalattiche di idrogeno neutro. Inoltre, la grumosità del gas indica la presenza di materia oscura, un’ipotetica sostanza che non può essere vista ma è evidente dalla sua attrazione osservata sulle galassie.
Perfezionamento dei parametri cosmologici con PRIYA
Le simulazioni PRIYA sono state utilizzate per perfezionare i parametri cosmologici nel lavoro presentato al JCAP e realizzato da Simeon Bird e dai suoi colleghi della UC Riverside, MA Fernandez e Ming-Feng Ho.
Precedenti analisi dei parametri della massa dei neutrini non concordavano con i dati della radiazione cosmica di fondo a microonde (CMB), descritta come il bagliore residuo del Big Bang. Gli astronomi hanno utilizzato i dati della CMB provenienti dall’osservatorio spaziale Plank per imporre vincoli stringenti sulla massa dei neutrini. I neutrini sono le particelle più abbondanti nell’universo, quindi individuare il loro valore di massa è importante per i modelli cosmologici della struttura su larga scala dell’universo.
“Abbiamo effettuato una nuova analisi con simulazioni molto più ampie e progettate meglio di qualsiasi altra cosa prima. Le precedenti discrepanze con i dati della CMB di Planck sono scomparse e sono state sostituite da un’altra tensione, simile a quella osservata in altre misurazioni di strutture su larga scala a basso spostamento verso il rosso”, ha spiegato Bird. “Il risultato principale dello studio è confermare che la tensione σ8 tra le misurazioni della CMB e il lensing debole esiste fino al redshift 2, dieci miliardi di anni fa”.
Un parametro ben vincolato dallo studio PRIYA riguarda σ8, che è la quantità di strutture di gas idrogeno neutro su una scala di 8 megaparsec, o 2,6 milioni di anni luce. Ciò indica il numero di grumi di materia oscura che fluttuano lì intorno, ha ha aggiunto Bird.
Un altro parametro vincolato era ns, l’indice spettrale scalare, che è collegato a come la goffaggine della materia oscura varia con la dimensione della regione analizzata, indicando la velocità con cui l’universo si stava espandendo pochi istanti dopo il Big Bang.
“L’indice spettrale scalare stabilisce come si è comportato l’universo proprio all’inizio. L’idea stessa di PRIYA è quella di elaborare le condizioni iniziali dell’universo e il modo in cui si comporta la fisica delle alte energie dell’universo”.
I supercomputer per le simulazioni PRIYA
“I requisiti di memoria per le simulazioni PRIYA sono così grandi che è possibile installarle solo su un supercomputer”, ha affermato Bird.
TACC ha assegnato a Bird un’allocazione di risorse per la leadership sul supercomputer Frontera. Inoltre, i calcoli di analisi sono stati eseguiti utilizzando le risorse dell’UC Riverside High-Performance Computer Cluster.
Le simulazioni PRIYA su Frontera sono alcune delle più grandi simulazioni cosmologiche mai realizzate, e necessitano di oltre 100.000 ore-nucleo per simulare un sistema di 3072 ^ 3 (circa 29 miliardi) di particelle in una “scatola” di 120 megaparsec sui bordi, o circa 3,91 milioni di luce -anni di distanza. Le simulazioni PRIYA hanno consumato oltre 600.000 ore nodo su Frontera.
“Frontera è stato molto importante per la ricerca poiché il supercomputer doveva essere abbastanza grande da poter eseguire una di queste simulazioni facilmente, e dovevamo eseguirne molte. Senza qualcosa come Frontera, non saremmo stati in grado di risolverli”, ha detto Bird.
Il sistema Ranch di TACC ha fornito l’archiviazione a lungo termine per i dati di simulazione PRIYA.
“Il ranch è importante, perché ora possiamo riutilizzare PRIYA per altri progetti. Questo potrebbe raddoppiare o triplicare il nostro impatto scientifico”, ha concluso Bird.
