Ispirato alla fantascienza dei Romulani spaziali di Star Trek, gli astrofisici hanno utilizzato i supercomputer assegnati da XSEDE per sviluppare simulazioni computerizzate cosmologiche chiamate RomulusC, dove la 'C' sta per ammasso di galassie. Con un focus sulla fisica dei buchi neri, RomulusC ha prodotto alcune delle simulazioni di ammassi di galassie con la più alta risoluzione di sempre, che può contenere centinaia o addirittura migliaia di galassie.

In Star Trek, i Romulani hanno alimentato le loro astronavi con un buco nero artificiale. In realtà, si scopre che i buchi neri possono guidare la formazione di stelle e l'evoluzione di intere galassie. E questo lavoro sugli ammassi di galassie sta aiutando gli scienziati a mappare l'universo sconosciuto.

Uno studio dell'ottobre 2019 ha prodotto risultati dalle simulazioni RomulusC, pubblicato in Avvisi mensili della Royal Astronomical Society . Ha sondato il gas ionizzato principalmente di idrogeno ed elio all'interno e intorno al mezzo intracluster, che riempie lo spazio tra le galassie in un ammasso di galassie.

Piccante, un gas denso di oltre un milione di gradi Kelvin riempie l'ammasso interno con una metallicità approssimativamente uniforme. Gas freddo-caldo tra diecimila e un milione di gradi Kelvin si annida in distribuzioni irregolari alla periferia, con una maggiore varietà di metalli. Sembra la coda di una medusa, il gas caldo-freddo segue il processo delle galassie che cadono nell'ammasso e perdono il loro gas. Il gas viene strappato dalla galassia in caduta e alla fine si mescola con la regione interna dell'ammasso di galassie.

"Troviamo che c'è una notevole quantità di questo gas freddo-caldo negli ammassi di galassie, ", ha affermato la coautrice dello studio Iryna Butsky, un dottorato di ricerca Studente presso il Dipartimento di Astronomia dell'Università di Washington. "Vediamo che questo gas freddo-caldo traccia strutture estremamente diverse e complementari rispetto al gas caldo. E prevediamo anche che questo componente freddo-caldo può essere osservato ora con strumenti esistenti come lo spettrografo Cosmic Origins del telescopio spaziale Hubble".

Gli scienziati stanno appena iniziando a sondare il mezzo intracluster, che sono così diffuse che le sue emissioni sono invisibili a tutti i telescopi attuali. Gli scienziati stanno usando RomulusC per aiutare a vedere gli ammassi indirettamente usando la luce ultravioletta (UV) dei quasar, che agiscono come un faro che brilla attraverso il gas. Il gas assorbe la luce UV, e lo spettro risultante produce densità, temperatura, e profili di metallicità se analizzati con strumenti come lo spettrografo Cosmic Origins a bordo del telescopio spaziale Hubble.

"Una cosa davvero interessante delle simulazioni è che sappiamo cosa sta succedendo ovunque all'interno della scatola simulata, Butsky ha detto. "Possiamo fare alcune osservazioni sintetiche e confrontarle con ciò che vediamo effettivamente negli spettri di assorbimento, quindi collegare i punti e abbinare gli spettri osservati e cercare di capire cosa sta realmente accadendo in questa scatola simulata".

Hanno applicato uno strumento software chiamato Trident sviluppato da Cameron Hummels di Caltech e colleghi che prende gli spettri sintetici della linea di assorbimento e aggiunge un po' di rumore e stranezze strumentali note sull'HST.

"Il risultato finale è uno spettro dall'aspetto molto realistico che possiamo confrontare direttamente con le osservazioni esistenti, " Butsky ha detto. "Ma, quello che non possiamo fare con le osservazioni è ricostruire le informazioni tridimensionali da uno spettro unidimensionale. Questo è ciò che sta colmando il divario tra osservazioni e simulazioni".

Un presupposto chiave alla base delle simulazioni RomulusC supportate dalla scienza più recente è che il gas che costituisce il mezzo intracluster ha origine almeno in parte nelle galassie stesse. "Dobbiamo modellare come quel gas esce dalle galassie, che sta accadendo attraverso l'esplosione di supernovae, e supernove provenienti da giovani stelle, ", ha affermato il coautore dello studio Tom Quinn, professore di astronomia all'Università di Washington. Ciò significa una gamma dinamica di oltre un miliardo con cui fare i conti.

Cosa c'è di più, i cluster non si formano in isolamento, quindi il loro ambiente deve essere considerato.

Poi c'è una sfida computazionale che è particolare per i cluster. "La maggior parte dell'azione computazionale si svolge proprio al centro del cluster. Anche se stiamo simulando un volume molto più grande, la maggior parte del calcolo avviene in un punto particolare. C'è una sfida di, mentre stai cercando di simularlo su un grande supercomputer con decine di migliaia di core, come si distribuisce quel calcolo tra quei core, " ha detto Quinn.

Quinn non è estraneo alle sfide computazionali. Dal 1995, ha usato le risorse di XSEDE, l'ambiente estremo di scoperta della scienza e dell'ingegneria, finanziato dalla National Science Foundation (NSF).

"Nel corso della mia carriera, la capacità della NSF di fornire elaborazione di fascia alta ha aiutato lo sviluppo generale del codice di simulazione che ha prodotto questo, " ha detto Quinn. "Questi codici paralleli richiedono un po' di tempo per svilupparsi. E XSEDE mi ha supportato durante tutto quel periodo di sviluppo. L'accesso a una varietà di macchine di fascia alta ha contribuito allo sviluppo del codice di simulazione".

RomulusC è iniziato come un proof-of-concept con tempo utente amichevole sul sistema Stampede2 presso il Texas Advanced Computing Center (TACC), quando i processori di Knights Landing sono diventati disponibili per la prima volta. "Ho ricevuto aiuto dallo staff TACC per far funzionare il codice sul many-core, 68 macchine core per chip."

Quinn e colleghi alla fine hanno aumentato RomulusC a 32, 000 processori e completato la simulazione sul sistema Blue Waters del National Center for Supercomputing Applications. Lungo la strada, ha anche utilizzato il supercomputer Pleiades della NASA e il sistema Comet allocato da XSEDE presso il San Diego Supercomputer Center, un'unità di ricerca organizzata dell'Università della California, San Diego.

"La cometa riempie una nicchia particolare, ha detto Quinn. "Dispone di grandi nodi di memoria. Aspetti particolari dell'analisi, per esempio identificare le galassie, non è facile su una macchina a memoria distribuita. Avere a disposizione la grande macchina a memoria condivisa è stato molto vantaggioso. In un senso, non abbiamo dovuto parallelizzare completamente quel particolare aspetto dell'analisi. Questa è la cosa principale, avere la macchina per i big data."

"Senza XSEDE, non avremmo potuto fare questa simulazione, "Quinn ha raccontato. "E 'essenzialmente una simulazione di capacità. Avevamo bisogno della capacità di eseguire effettivamente la simulazione, ma anche la capacità delle macchine di analisi."

La prossima generazione di simulazioni viene effettuata utilizzando il sistema Frontera finanziato dall'NSF, il supercomputer accademico più veloce e attualmente il n. 5 più veloce al mondo. "In questo momento su Frontera, stiamo eseguendo corse a risoluzione più elevata delle singole galassie, "Quinn ha detto. "Da quando abbiamo iniziato queste simulazioni, abbiamo lavorato per dimostrare come modelliamo la formazione stellare. E ovviamente abbiamo più potenza di calcolo, quindi solo una risoluzione di massa puramente superiore, ancora, per rendere più realistiche le nostre simulazioni delle singole galassie. Anche cluster sempre più grandi andrebbero bene, " Ha aggiunto Quinn.

Butsky ha detto:"Quello che penso sia davvero interessante nell'usare i supercomputer per modellare l'universo è che svolgono un ruolo unico nel permetterci di fare esperimenti. In molte altre scienze, hai un laboratorio dove puoi testare le tue teorie. Ma in astronomia puoi elaborare una teoria con carta e penna e osservare l'universo così com'è. Ma senza simulazioni, è molto difficile eseguire questi test perché è difficile riprodurre alcuni dei fenomeni estremi nello spazio, come scale temporali e ottenere le temperature e le densità di alcuni di questi oggetti estremi. Le simulazioni sono estremamente importanti per poter fare progressi nel lavoro teorico."

Lo studio, "Signature ultraviolette del mezzo multifase intracluster e circumgalattico nella simulazione RomulusC, " è stato pubblicato nell'ottobre del 2019 su Avvisi mensili della Royal Astronomical Society . I coautori dello studio sono Iryna S. Butsky, Thomas R. Quinn, e Jessica K. Werk dell'Università di Washington; Joseph N. Burchett dell'UC Santa Cruz, e Daisuke Nagai e Michael Tremmel dell'Università di Yale. Il finanziamento dello studio è venuto dalla NSF e dalla NASA.