La red cósmica se muestra en detalle con otros componentes críticos de la simulación, incluida la materia oscura, el gas, la temperatura y la densidad neutra del hidrógeno. El último panel muestra las características de absorción del bosque Lyman-alfa. Fuente: Bruno Villaseñor/UCSC
Un equipo de investigación de la Universidad de California, Santa Cruz, utilizó la supercomputadora Summit Oak Ridge Leadership Computing Facility para ejecutar uno de los modelos de cosmología más completos para estudiar las propiedades de la materia oscura, una red cósmica hipotética del universo que sigue siendo en gran parte un misterio. unos 90 años después de su existencia finalmente se formuló.
De acuerdo con el modelo de materia oscura Lambda-fría en la cosmología del Big Bang, que es un modelo de trabajo del universo que, según muchos astrofísicos, proporciona la explicación más razonable de por qué es así, el 85% de la materia total en el universo es Materia oscura. Pero, ¿qué es exactamente la materia oscura?
“Sabemos que hay mucha materia oscura en el universo, pero no tenemos idea de qué está hecha esta materia oscura, qué tipo de partícula es. Todo lo que sabemos es que está allí por influencia gravitatoria”, dijo Bruno Villaseñor, ex estudiante de doctorado de la UCSC y autor principal del artículo del equipo, que se publicó recientemente en Revisión física D. “Pero si podemos limitar las propiedades de la materia oscura que vemos, podemos rechazar algunos candidatos potenciales”.
Al crear más de 1000 simulaciones hidrodinámicas de alta resolución en la supercomputadora Summit ubicada en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía, el equipo creó el modelo de bosque Lyman-Alpha, que es una serie de características de absorción creadas cuando la luz de objetos distantes brillantes llamados los cuásares encuentran materia en su viaje por el suelo. Estos parches de gas cósmico difuso se mueven a diferentes velocidades y tienen diferentes masas y tamaños, creando un “bosque” de líneas de absorción.
Luego, los investigadores simularon universos con diferentes propiedades de materia oscura que afectan la estructura de la red cósmica al alterar las fluctuaciones del bosque Lyman-Alpha. El equipo comparó los resultados de la simulación con las fluctuaciones en el bosque Lyman-Alpha real observado por telescopios en el Observatorio WM Keck y el Very Large Telescope del Observatorio Europeo Austral, luego eliminó a los contendientes de materia oscura hasta que encontraron la coincidencia más cercana.
Una distribución de gas que traza una red cósmica y un conjunto de picos que se cruzan con el campo de simulación a lo largo del cual se calculan las características de absorción de Lyman-Alpha Forest a partir de la simulación y se utilizan para compararlas con las observaciones. Fuente: Bruno Villaseñor/UCSC
Como resultado, los resultados del equipo contradijeron la afirmación fundamental del modelo Lambda-CDM de que la materia oscura del universo es materia oscura fría; de ahí la abreviatura del modelo, que se refiere a las velocidades térmicas lentas de la materia oscura en lugar de a su temperatura. En cambio, la perspectiva principal del estudio apuntaba a la suposición opuesta: de hecho, podríamos vivir en un universo con materia oscura cálida, con velocidades térmicas más altas.
“Lambda-CDM proporciona una visión favorable de una amplia gama de observaciones en astronomía y cosmología. Sin embargo, hay ligeras grietas en esta base. Y lo que realmente estamos tratando de hacer es empujar esas grietas y ver si hay problemas con esta base fundamental. ¿Estamos en tierra firme?” dijo Brant Robertson, líder del proyecto y profesor en el Departamento de Astronomía y Astrofísica de la UCSC.
Además de la posible interrupción de varias suposiciones mantenidas durante mucho tiempo sobre la materia oscura y el universo mismo, el proyecto UCSC también se destaca por sus hazañas computacionales. El equipo realizó un conjunto de simulaciones sin precedentes utilizando un software de simulación de última generación que tiene en cuenta la física que da forma a la estructura de la red espacial y aprovecha la potencia informática de las supercomputadoras más grandes del mundo.
El equipo de UCSC usó un código hidrodinámico optimizado para GPU llamado Cholla, o Computational Hydrodynamics On ParaLLel Architectures, como punto de partida para sus simulaciones Summit. Desarrollado por Evan Schneider, profesor asistente en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Pittsburgh, Cholla originalmente tenía la intención de ayudar a los usuarios a comprender mejor cómo evolucionan los gases en el universo con el tiempo al actuar como un solucionador de dinámica de fluidos. Sin embargo, el equipo de la UCSC necesitaba algunas soluciones físicas adicionales para abordar su proyecto de materia oscura, por lo que Villaseñor las integró en Cholla durante tres años para su tesis de la UCSC.
“Básicamente, tuve que extender Cholla agregando algo de física: la física de la gravedad, la física de la materia oscura, la física del universo en expansión, la física de la química de los gases y la química del hidrógeno y el helio”, dijo Villaseñor. “¿Cómo se calentará el gas por la radiación en el universo? ¿Cómo afectará esto a la descomposición del gas? Esta física es esencial para ejecutar este tipo de simulaciones hidrodinámicas cosmológicas”.
Esta figura ilustra cómo cambia la temperatura de la red cósmica a medida que cambia la intensidad de la energía ionizante de los cuásares de izquierda a derecha, y cómo cambia el tiempo de formación de los cuásares de abajo hacia arriba. Esta imagen se generó a partir de otra simulación de malla grande que también realizamos en Summit. Fuente: Bruno Villaseñor/UCSC
En el proceso, Villaseñor creó uno de los códigos de simulación más completos para modelar el universo. Anteriormente, los astrofísicos normalmente tenían que elegir qué parámetros incluir en sus simulaciones. Ahora, combinado con el poder de cómputo de Summit, tienen muchos más parámetros físicos a su disposición.
“Una de las cosas que Bruno ha logrado es algo que los investigadores han querido hacer durante muchos años y solo fue posible con los sistemas de supercomputadoras en OLCF: cambiar radicalmente la física del universo de muchas maneras diferentes”, dijo Robertson. “Este es un gran paso adelante: poder combinar la física simultáneamente y hacerlo de una manera que pueda compararse directamente con las observaciones.
“Simplemente no era posible hacer algo como esto antes. Este es un desafío computacional que es mucho más grande que lo que se ha hecho antes”.
Schneider, quien asesoró a Villaseñor en su trabajo en la expansión de Cholla, dijo que cree que sus adiciones serán “completamente críticas” mientras prepara a Cholla para sus propias simulaciones en la nueva supercomputadora Frontier de clase exaescala, que comparte ubicación con Summit en OLCF. , la instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL. Está ejecutando un proyecto Frontier Center for Accelerated Application Readiness para simular la Vía Láctea y utilizará algunos solucionadores agregados por Villasenora.
“El software de astrofísica es muy diferente de otros tipos de software porque no creo que haya habido nunca una versión final, y ciertamente no para Cholla”, dijo Schneider. “Puede pensar en Cholla como una multiherramienta, por lo que cuantos más elementos agreguemos a nuestra multiherramienta, más tipos de problemas podremos resolver. Si construí la herramienta original como una navaja ordinaria, es como si Bruno agregara un destornillador, no toda una clase de problemas que podamos resolver ahora que no pudimos resolver con el código original. A medida que agreguemos más y más cosas, podremos resolver problemas cada vez más complejos”.
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge