Inspirado en la ciencia ficción de los romulanos espaciales de Star Trek, Los astrofísicos han utilizado supercomputadoras asignadas por XSEDE para desarrollar simulaciones cosmológicas por computadora llamadas RomulusC, donde la 'C' significa cúmulo de galaxias. Con un enfoque en la física de los agujeros negros, RomulusC ha producido algunas de las simulaciones de cúmulos de galaxias con la resolución más alta de la historia, que puede contener cientos o incluso miles de galaxias.

En Star Trek, los romulanos alimentaron sus naves espaciales con un agujero negro artificial. En realidad, resulta que los agujeros negros pueden impulsar la formación de estrellas y la evolución de galaxias enteras. Y este trabajo de cúmulos de galaxias está ayudando a los científicos a mapear el universo desconocido.

Un estudio de octubre de 2019 arrojó resultados de simulaciones de RomulusC, publicado en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society . Sondeó el gas ionizado de principalmente hidrógeno y helio dentro y alrededor del medio intragrupo, que llena el espacio entre las galaxias en un cúmulo de galaxias.

Caliente, Un gas denso de más de un millón de grados Kelvin llena el cúmulo interno con una metalicidad aproximadamente uniforme. Gas frío-cálido entre diez mil y un millón de grados Kelvin acecha en distribuciones irregulares en las afueras, con mayor variedad de metales. Pareciendo la cola de una medusa, el gas frío-cálido sigue el proceso de caída de las galaxias en el cúmulo y pérdida de gas. El gas se extrae de la galaxia que cae y finalmente se mezcla con la región interior del cúmulo de galaxias.

"Encontramos que hay una cantidad sustancial de este gas frío-cálido en los cúmulos de galaxias, "dijo la coautora del estudio, Iryna Butsky, un doctorado Estudiante del Departamento de Astronomía de la Universidad de Washington. "Vemos que este gas frío-cálido se rastrea en estructuras extremadamente diferentes y complementarias en comparación con el gas caliente. Y también predecimos que este componente frío-cálido se puede observar ahora con instrumentos existentes como el Espectrógrafo de Orígenes Cósmicos del Telescopio Espacial Hubble".

Los científicos recién están comenzando a sondear el medio intragrupo, que son tan difusos que sus emisiones son invisibles para cualquier telescopio actual. Los científicos están usando RomulusC para ayudar a ver los cúmulos usando indirectamente la luz ultravioleta (UV) de los cuásares, que actúan como un faro que brilla a través del gas. El gas absorbe la luz ultravioleta, y el espectro resultante produce densidad, temperatura, y perfiles de metalicidad cuando se analizan con instrumentos como el Espectrógrafo de Orígenes Cósmicos a bordo del Telescopio Espacial Hubble.

"Una cosa realmente interesante sobre las simulaciones es que sabemos lo que sucede en todas partes dentro de la caja simulada, ", Dijo Butsky." Podemos hacer algunas observaciones sintéticas y compararlas con lo que realmente vemos en los espectros de absorción y luego conectar los puntos y hacer coincidir los espectros que se observan y tratar de entender lo que realmente está sucediendo en esta caja simulada ".

Aplicaron una herramienta de software llamada Trident desarrollada por Cameron Hummels de Caltech y sus colegas que toma los espectros de la línea de absorción sintética y agrega un poco de ruido y peculiaridades instrumentales conocidas sobre el HST.

"El resultado final es un espectro de aspecto muy realista que podemos comparar directamente con las observaciones existentes, "Butsky dijo." Pero, lo que no podemos hacer con las observaciones es reconstruir información tridimensional a partir de un espectro unidimensional. Eso es lo que cierra la brecha entre las observaciones y las simulaciones ".

Una suposición clave detrás de las simulaciones de RomulusC respaldadas por la ciencia más reciente es que el gas que forma el medio intracúmulo se origina, al menos en parte, en las propias galaxias. "Tenemos que modelar cómo ese gas sale de las galaxias, que está sucediendo a través de la explosión de supernovas, y supernovas procedentes de estrellas jóvenes, "dijo el coautor del estudio, Tom Quinn, profesor de astronomía en la Universidad de Washington. Eso significa un rango dinámico de más de mil millones con el que lidiar.

Y lo que es más, los grupos no se forman de forma aislada, por lo que su entorno debe tenerse en cuenta.

Luego hay un desafío computacional que es particular de los clústeres. "La mayor parte de la acción computacional ocurre en el mismo centro del clúster. Aunque estamos simulando un volumen mucho mayor, la mayor parte del cálculo ocurre en un lugar en particular. Hay un desafío de mientras intentas simular esto en una gran supercomputadora con decenas de miles de núcleos, ¿Cómo distribuyes ese cálculo entre esos núcleos? "Dijo Quinn.

Quinn no es ajeno a los desafíos computacionales. Desde 1995, ha utilizado los recursos de XSEDE, el entorno de descubrimiento de ciencias e ingeniería extremas, financiado por la National Science Foundation (NSF).

"A lo largo de mi carrera, La capacidad de la NSF para proporcionar computación de alta gama ha ayudado al desarrollo general del código de simulación que produjo esto, "dijo Quinn." Estos códigos paralelos tardan un tiempo en desarrollarse. Y XSEDE me ha apoyado durante todo ese período de desarrollo. El acceso a una variedad de máquinas de alta gama ha ayudado con el desarrollo del código de simulación ".

RomulusC comenzó como una prueba de concepto con un tiempo de uso amigable en el sistema Stampede2 en el Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC), cuando los procesadores Knights Landing estuvieron disponibles por primera vez. "Recibí ayuda del personal de TACC para configurar y ejecutar el código en los múltiples núcleos, Máquinas de 68 núcleos por chip ".

Quinn y sus colegas finalmente ampliaron RomulusC a 32, 000 procesadores y completó la simulación en el sistema Blue Waters del Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación. Por el camino, también usó la supercomputadora Pléyades de la NASA y el sistema Comet asignado por XSEDE en el Centro de Supercomputación de San Diego, una Unidad de Investigación Organizada de la Universidad de California en San Diego.

"Comet llena un nicho particular, Dijo Quinn. "Tiene grandes nodos de memoria disponibles. Aspectos particulares del análisis, por ejemplo identificando las galaxias, no se hace fácilmente en una máquina de memoria distribuida. Tener disponible la gran máquina de memoria compartida fue muy beneficioso. En un sentido, no tuvimos que paralelizar completamente ese aspecto particular del análisis. Eso es lo principal tener la máquina de big data ".

"Sin XSEDE, no podríamos haber hecho esta simulación, ", Relató Quinn." Es esencialmente una simulación de capacidad. Necesitábamos la capacidad para realizar la simulación, sino también la capacidad de las máquinas de análisis ".

La próxima generación de simulaciones se está realizando utilizando el sistema Frontera financiado por NSF, la supercomputadora académica más rápida y actualmente la número 5 más rápida del mundo. "Ahora mismo en Frontera, estamos haciendo carreras a mayor resolución de galaxias individuales, "Dijo Quinn." Desde que comenzamos estas simulaciones, hemos estado trabajando para demostrar cómo modelamos la formación estelar. Y, por supuesto, tenemos más poder computacional, tan solo una resolución de masa puramente más alta, de nuevo, para hacer nuestras simulaciones de galaxias individuales más realistas. También sería bueno tener más y más clústeres, "Añadió Quinn.

Butsky dijo:"Lo que creo que es realmente genial sobre el uso de supercomputadoras para modelar el universo es que desempeñan un papel único al permitirnos hacer experimentos. En muchas de las otras ciencias, tienes un laboratorio donde puedes probar tus teorías. Pero en astronomía puedes elaborar una teoría con lápiz y papel y observar el universo tal como es. Pero sin simulaciones Es muy difícil ejecutar estas pruebas porque es difícil reproducir algunos de los fenómenos extremos en el espacio, como escalas temporales y obteniendo las temperaturas y densidades de algunos de estos objetos extremos. Las simulaciones son extremadamente importantes para poder avanzar en el trabajo teórico ".

El estudio, "Firmas ultravioleta del medio multifásico intraclúster y circungaláctico en la simulación RomulusC, "fue publicado en octubre de 2019 en el Avisos mensuales de la Royal Astronomical Society . Los coautores del estudio son Iryna S. Butsky, Thomas R. Quinn, y Jessica K. Werk de la Universidad de Washington; Joseph N. Burchett de UC Santa Cruz, y Daisuke Nagai y Michael Tremmel de la Universidad de Yale. La financiación del estudio provino de la NSF y la NASA.