Em 2016, uma equipe internacional de cientistas encontrou evidências definitivas - minúsculas ondulações no espaço conhecidas como ondas gravitacionais - para apoiar uma das últimas previsões não testadas da teoria da relatividade geral de Einstein. A equipe usou o Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), que desde então fez várias descobertas de ondas gravitacionais. Cada descoberta foi possível em parte por causa de uma rede global de clusters de supercomputadores, um dos quais está alojado em Penn State. Os pesquisadores usam esta rede, conhecido como LIGO Data Grid, para analisar os dados das ondas gravitacionais.

A Penn State recentemente investiu em uma atualização de sua parte da grade de dados que quase quadruplicará a capacidade do cluster de conduzir pesquisas de astronomia e astrofísica de ponta. O novo cluster, 192 servidores trabalhando em conjunto, é administrado pelo Institute for CyberScience (ICS). Bangalore Sathyaprakash, professor de astronomia e astrofísica e professor de física Elsbach; e Chad Hanna, professor associado de física e astronomia e astrofísica, e membro co-contratado do corpo docente da ICS, são os pesquisadores principais que usarão o novo sistema com sua equipe de pesquisa e colaboradores.

Acelerando a pesquisa do corpo docente e dos alunos

"Na Penn State estamos envolvidos em todos os aspectos da astronomia das ondas gravitacionais, que usamos para aprender sobre o universo, "disse Sathyaprakash." Até a descoberta das ondas gravitacionais, a única maneira de observar o universo era usando luz, ondas de rádio ou raios gama, que todos pertencem ao espectro eletromagnético. As ondas gravitacionais nos permitem criar uma imagem complementar do universo e revelar processos e fenômenos que, de outra forma, não seriam revelados por meio da observação eletromagnética. "

O novo cluster aumentará muito a velocidade com que os pesquisadores podem concluir a análise, de acordo com Chad Hanna. Ele e seus colegas concluíram recentemente o primeiro estudo que usou dados armazenados no cluster LIGO da Penn State. A equipe projetou um experimento para quantificar o número de buracos negros binários no universo que têm menos massa que o Sol, o que pode ter implicações para a quantidade de matéria escura no universo.

"Nosso primeiro estudo que usou exclusivamente o cluster Penn State LIGO levou 12 semanas, "disse Hanna." Se concluíssemos a mesma investigação no cluster atualizado hoje, levaria apenas três semanas. "

A atualização aumenta o cluster de 1, 152 núcleos de computação para 4, 608 núcleos, o que permitirá que mais pesquisadores usem o sistema simultaneamente. Para referência, isso é aproximadamente equivalente a mais de 1, 000 computadores desktop trabalhando em uníssono.

"Estou muito animado com as máquinas extras, "disse Ryan Magee, estudante de pós-graduação em física. "Ele permite que várias análises sejam executadas ao mesmo tempo, sem muitos gargalos."

Magee planeja usar o cluster para pesquisar objetos compactos de massa sub-solar no universo, ele disse, porque "eles não são produzidos por mecanismos estelares, então seria uma sugestão de nova física. "

Pesquisadores em todos os níveis usarão o novo recurso, incluindo alunos de graduação como Phoebe McClincy, um estudante do segundo ano estudando astronomia e astrofísica, e um Millennium Scholar. McClincy foi exposto pela primeira vez à pesquisa de ondas gravitacionais como um estudante do ensino médio em um acampamento de verão da Penn State liderado por Hanna.

"Durante aquele acampamento de verão, tive a oportunidade de visitar o agrupamento, e lembro-me de ter pensado que era muito legal e fascinante ver o outro lado do computador, "disse McClincy, agora um membro da equipe de pesquisa de Hanna. "Sempre achei que tecnologia como essa é incrível, então mal posso esperar para ver o que pode ser feito agora que ficará ainda mais avançado. "

Capacitação para futuras descobertas LIGO

A primeira iteração dos observatórios do LIGO coletou dados de 2002 a 2010, mas não detectou nenhuma onda gravitacional. Atualizando os observatórios para seu estado atual, conhecido como LIGO avançado, aumentaram muito suas capacidades de detecção, e, como resultado, o sistema detectou seis eventos de ondas gravitacionais desde 2016.

Sathyaprakash disse que há planos para continuar a melhorar as capacidades de detecção de observatórios de ondas gravitacionais, o que representará oportunidades e desafios para os pesquisadores.

"Quando o LIGO avançado atinge sua sensibilidade de design, observaremos colisões de buracos negros binários a dezenas de bilhões de anos-luz e fusões de estrelas de nêutrons binárias a bilhões de anos-luz de distância. Com a construção, na década de 2030, de novos detectores 10 vezes mais sensíveis que os atuais, seremos capazes de observar todo o universo em ondas gravitacionais para buracos negros e a maior parte do universo para estrelas de nêutrons, " ele disse.

Isso virá com desafios na coleta, armazenar e analisar grandes quantidades de dados. Demorou entre um e três meses para analisar cada onda gravitacional detectada até o momento.

"Com o LIGO avançado, esperamos observar um evento todos os dias ou a cada dois dias, isso vai oferecer um grande desafio computacional, e então cada parte ajuda, "disse ele." Com este novo cluster LIGO, o que fizemos foi garantir recursos suficientes para sermos completamente independentes ao fazer nossas análises. ICS e Penn State estão possibilitando essa ciência desafiadora. Sem este novo cluster, seríamos severamente impedidos de fazer a ciência que queremos fazer. "