Nel 2016, un team internazionale di scienziati ha trovato prove definitive - minuscole increspature nello spazio note come onde gravitazionali - a sostegno di una delle ultime previsioni non verificate della teoria della relatività generale di Einstein. Il team ha utilizzato il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), che da allora ha fatto diverse scoperte di onde gravitazionali. Ogni scoperta è stata possibile in parte grazie a una rete globale di cluster di supercomputer, uno dei quali è ospitato a Penn State. I ricercatori usano questa rete, noto come LIGO Data Grid, analizzare i dati delle onde gravitazionali.

Penn State ha recentemente investito in un aggiornamento della sua porzione della griglia di dati che quadruplicherà all'incirca la capacità del cluster di condurre ricerche astronomiche e astrofisiche all'avanguardia. Il nuovo cluster, 192 server che lavorano in tandem, è amministrato dall'Institute for CyberScience (ICS). Bangalore Sathyaprakash, professore di astronomia e astrofisica e Elsbach professore di fisica; e Chad Hanna, professore associato di fisica e astronomia e astrofisica, e membro di facoltà co-assunto dall'ICS, sono i ricercatori primari che utilizzeranno il nuovo sistema con il loro gruppo di ricerca e collaboratori.

Velocizzare la ricerca di docenti e studenti

"A Penn State siamo coinvolti in tutti gli aspetti dell'astronomia delle onde gravitazionali, che usiamo per conoscere l'universo, " disse Sathyaprakash. "Fino alla scoperta delle onde gravitazionali, l'unico modo per osservare l'universo era usare la luce, onde radio o raggi gamma, che appartengono tutti allo spettro elettromagnetico. Le onde gravitazionali ci consentono di creare un'immagine complementare dell'universo e rivelare processi e fenomeni che altrimenti non potrebbero essere rivelati attraverso l'osservazione elettromagnetica".

Il nuovo cluster aumenterà notevolmente la velocità con cui i ricercatori possono completare l'analisi, secondo Chad Hanna. Lui e i suoi colleghi hanno recentemente terminato il primo studio che ha utilizzato i dati ospitati nel cluster LIGO di Penn State. Il team ha progettato un esperimento per quantificare il numero di buchi neri binari nell'universo che hanno una massa inferiore a quella del Sole, che potrebbe avere implicazioni per la quantità di materia oscura nell'universo.

"Il nostro primo studio che ha utilizzato esclusivamente il cluster LIGO di Penn State ha richiesto 12 settimane, " disse Hanna. "Se dovessimo completare oggi la stessa indagine sul cluster aggiornato, ci vorrebbero solo tre settimane".

L'aggiornamento potenzia il cluster da 1, 152 core di calcolo a 4, 608 core, che consentirà a più ricercatori di utilizzare il sistema contemporaneamente. Per riferimento, questo è approssimativamente equivalente a più di 1, 000 computer desktop che lavorano all'unisono.

"Sono molto entusiasta delle macchine extra, "ha detto Ryan Magee, studente laureato in fisica. "Consente di eseguire più analisi contemporaneamente senza troppi colli di bottiglia".

Magee prevede di utilizzare l'ammasso per cercare oggetti compatti di massa subsolare nell'universo, Egli ha detto, perché "non sono prodotti da meccanismi stellari, quindi sarebbe un accenno di nuova fisica."

I ricercatori a tutti i livelli utilizzeranno la nuova risorsa, compresi studenti universitari come Phoebe McClincy, uno studente del secondo anno che studia astronomia e astrofisica, e uno studioso del millennio. McClincy è stato esposto per la prima volta alla ricerca sulle onde gravitazionali quando era uno studente delle superiori che frequentava un campo estivo della Penn State guidato da Hanna.

"Durante quel campo estivo mi è stata effettivamente offerta l'opportunità di visitare il cluster, e ricordo di aver pensato che fosse davvero bello e affascinante vedere l'altro lato del computer, " ha detto McClincy, ora un membro del gruppo di ricerca di Hanna. "Ho sempre pensato che una tecnologia come questa sia fantastica, quindi non vedo l'ora di vedere cosa si può fare ora che sarà ancora più avanzato."

Costruire capacità per future scoperte LIGO

La prima iterazione degli osservatori di LIGO ha raccolto dati dal 2002 al 2010 ma non ha rilevato alcuna onda gravitazionale. L'aggiornamento degli osservatori allo stato attuale, conosciuto come Advanced LIGO, notevolmente aumentato le loro capacità di rilevamento, e, di conseguenza, il sistema ha rilevato sei eventi di onde gravitazionali dal 2016.

Sathyaprakash ha affermato che ci sono piani per continuare a migliorare le capacità di rilevamento degli osservatori di onde gravitazionali, che porrà sia opportunità che sfide per i ricercatori.

"Quando LIGO avanzato raggiunge la sua sensibilità progettuale, osserveremo collisioni binarie di buchi neri fino a decine di miliardi di anni luce e fusioni binarie di stelle di neutroni a miliardi di anni luce di distanza. Con la costruzione negli anni 2030 di nuovi rivelatori 10 volte più sensibili di quelli attuali, potremo osservare l'intero universo in onde gravitazionali per i buchi neri e la maggior parte dell'universo per le stelle di neutroni, " Egli ha detto.

Venendo con quello saranno sfide nella raccolta, archiviare e analizzare enormi quantità di dati. Ci sono voluti da uno a tre mesi per analizzare ogni onda gravitazionale rilevata fino ad oggi.

"Con Advanced LIGO ci aspettiamo di osservare un evento ogni giorno o a giorni alterni, questo offrirà un'enorme sfida computazionale, e quindi ogni cosa aiuta, " ha detto. "Con questo nuovo cluster LIGO, quello che abbiamo fatto è assicurarci risorse sufficienti per essere completamente indipendenti nello svolgimento delle nostre analisi. ICS e Penn State stanno consentendo questa scienza impegnativa. Senza questo nuovo cluster, saremmo molto severamente ostacolati dal fare la scienza che vogliamo fare."