Inspirado na ficção científica dos Romulanos de Star Trek, viajantes do espaço, astrofísicos usaram supercomputadores alocados por XSEDE para desenvolver simulações cosmológicas de computador chamadas RomulusC, onde o 'C' representa aglomerado de galáxias. Com foco na física dos buracos negros, RomulusC produziu algumas das simulações de maior resolução já feitas de aglomerados de galáxias, que pode conter centenas ou mesmo milhares de galáxias.

Em Star Trek, os romulanos acionaram suas espaçonaves com um buraco negro artificial. Na realidade, Acontece que os buracos negros podem conduzir a formação de estrelas e a evolução de galáxias inteiras. E este trabalho de aglomerado de galáxias está ajudando cientistas a mapear o universo desconhecido.

Um estudo de outubro de 2019 produziu resultados de simulações RomulusC, publicado no Avisos mensais da Royal Astronomical Society . Ele sondou o gás ionizado composto principalmente de hidrogênio e hélio dentro e ao redor do meio intracluster, que preenche o espaço entre as galáxias em um aglomerado de galáxias.

Quente, gás denso de mais de um milhão de graus Kelvin preenche o aglomerado interno com metalicidade aproximadamente uniforme. Gás frio-quente entre dez mil e um milhão de graus Kelvin se esconde em distribuições irregulares nos arredores, com maior variedade de metais. Parecendo o rabo de uma água-viva, o gás frio-quente rastreia o processo de galáxias caindo no aglomerado e perdendo seu gás. O gás é removido da galáxia em queda e, eventualmente, se mistura com a região interna do aglomerado de galáxias.

"Descobrimos que há uma quantidade substancial desse gás frio-quente em aglomerados de galáxias, "disse a coautora do estudo Iryna Butsky, um Ph.D. Estudante do Departamento de Astronomia da Universidade de Washington. "Vemos que este gás frio-quente traça estruturas extremamente diferentes e complementares em comparação com o gás quente. E também prevemos que este componente frio-quente pode ser observado agora com instrumentos existentes como o Espectrógrafo de Origens Cósmicas do Telescópio Espacial Hubble."

Os cientistas estão apenas começando a investigar o meio intracluster, que são tão difusas que suas emissões são invisíveis para qualquer telescópio atual. Os cientistas estão usando RomulusC para ajudar a ver aglomerados indiretamente usando a luz ultravioleta (UV) dos quasares, que agem como um farol brilhando através do gás. O gás absorve luz ultravioleta, e o espectro resultante produz densidade, temperatura, e perfis de metalicidade quando analisados ​​com instrumentos como o Cosmic Origins Spectrograph a bordo do Hubble Space Telescope.

"Uma coisa muito legal sobre as simulações é que sabemos o que está acontecendo em todos os lugares dentro da caixa simulada, "Butsky disse." Podemos fazer algumas observações sintéticas e compará-las com o que realmente vemos nos espectros de absorção e então conectar os pontos e combinar os espectros que são observados e tentar entender o que realmente está acontecendo nesta caixa simulada. "

Eles aplicaram uma ferramenta de software chamada Trident desenvolvida por Cameron Hummels da Caltech e colegas que pega os espectros da linha de absorção sintética e adiciona um pouco de ruído e peculiaridades do instrumento conhecidas sobre o HST.

"O resultado final é um espectro de aparência muito realista que podemos comparar diretamente com as observações existentes, "Butsky disse." Mas, o que não podemos fazer com as observações é reconstruir informações tridimensionais de um espectro unidimensional. Isso é o que preenche a lacuna entre as observações e as simulações. "

Uma suposição fundamental por trás das simulações RomulusC apoiadas pela ciência mais recente é que o gás que compõe o meio intracluster se origina, pelo menos parcialmente, nas próprias galáxias. "Temos que modelar como esse gás sai das galáxias, que está acontecendo por meio da explosão de supernovas, e supernovas provenientes de estrelas jovens, "disse o co-autor do estudo, Tom Quinn, professor de astronomia da Universidade de Washington. Isso significa uma faixa dinâmica de mais de um bilhão para enfrentar.

O que mais, clusters não se formam isoladamente, portanto, seu ambiente deve ser considerado.

Então, há um desafio computacional específico para clusters. "A maior parte da ação computacional está acontecendo bem no centro do cluster. Embora estejamos simulando um volume muito maior, a maior parte do cálculo está acontecendo em um determinado local. Existe um desafio de, enquanto você está tentando simular isso em um grande supercomputador com dezenas de milhares de núcleos, como você distribui essa computação entre esses núcleos, "Quinn disse.

Quinn não é estranho aos desafios computacionais. Desde 1995, ele usou os recursos do XSEDE, o Ambiente Extremo de Descoberta de Ciência e Engenharia, financiado pela National Science Foundation (NSF).

"Ao longo da minha carreira, a capacidade da NSF de fornecer computação de ponta ajudou no desenvolvimento geral do código de simulação que o produziu, "disse Quinn." Esses códigos paralelos demoram um pouco para serem desenvolvidos. E o XSEDE tem me apoiado durante todo esse período de desenvolvimento. O acesso a uma variedade de máquinas de última geração ajudou no desenvolvimento do código de simulação. "

RomulusC começou como uma prova de conceito com tempo de usuário amigável no sistema Stampede2 no Texas Advanced Computing Center (TACC), quando os processadores Knights Landing se tornaram disponíveis. "Recebi ajuda da equipe do TACC para colocar o código em execução e execução em muitos núcleos, 68 núcleos por máquinas de chip. "

Quinn e colegas eventualmente aumentaram RomulusC para 32, 000 processadores e concluída a simulação no sistema Blue Waters do National Center for Supercomputing Applications. Pelo caminho, também usou o supercomputador Pleiades da NASA e o sistema Comet alocado por XSEDE no Centro de Supercomputadores de San Diego, uma Unidade de Pesquisa Organizada da Universidade da Califórnia em San Diego.

"O cometa preenche um nicho particular, Quinn disse. "Ele tem grandes nós de memória disponíveis. Aspectos particulares da análise, por exemplo, identificar as galáxias, não é feito facilmente em uma máquina de memória distribuída. Ter a grande máquina de memória compartilhada disponível foi muito benéfico. Num sentido, não tivemos que paralelizar completamente esse aspecto particular da análise. Isso é o principal, ter a máquina de big data. "

"Sem XSEDE, não poderíamos ter feito esta simulação, "Quinn contou." É essencialmente uma simulação de capacidade. Precisávamos da capacidade de realmente fazer a simulação, mas também a capacidade das máquinas de análise. "

A próxima geração de simulações está sendo feita usando o sistema Frontera financiado pela NSF, o supercomputador acadêmico mais rápido e atualmente o 5º mais rápido do mundo. "Agora mesmo em Frontera, estamos fazendo corridas em alta resolução de galáxias individuais, "Quinn disse." Desde que começamos essas simulações, estivemos trabalhando para provar como modelamos a formação estelar. E, claro, temos mais poder computacional, então apenas resolução de massa puramente maior, novamente, para tornar nossas simulações de galáxias individuais mais realistas. Mais e maiores clusters também seriam bons, "Quinn acrescentou.

Disse Butsky:"O que acho muito legal em usar supercomputadores para modelar o universo é que eles desempenham um papel único, permitindo que façamos experimentos. Em muitas das outras ciências, você tem um laboratório onde pode testar suas teorias. Mas em astronomia, você pode criar uma teoria sobre papel e caneta e observar o universo como ele é. Mas sem simulações, é muito difícil executar esses testes porque é difícil reproduzir alguns dos fenômenos extremos no espaço, como escalas temporais e obter as temperaturas e densidades de alguns desses objetos extremos. As simulações são extremamente importantes para poder avançar no trabalho teórico. "

O estudo, "Ultraviolet Signatures of the Multiphase Intracluster and Circumgalactic Media in the RomulusC Simulation, "foi publicado em outubro de 2019 no Avisos mensais da Royal Astronomical Society . Os co-autores do estudo são Iryna S. Butsky, Thomas R. Quinn, e Jessica K. Werk, da Universidade de Washington; Joseph N. Burchett da UC Santa Cruz, e Daisuke Nagai e Michael Tremmel da Universidade de Yale. O financiamento do estudo veio da NSF e da NASA.