Forscher nutzen Supercomputer, um dunkle Materie zu untersuchen

Ein Forschungsteam der University of California in Santa Cruz hat den Summit-Supercomputer der Oak Ridge Leadership Computing Facility genutzt, um eines der bisher vollständigsten kosmologischen Modelle zur Untersuchung der Eigenschaften der Dunklen Materie auszuführen – dem hypothetischen kosmischen Netz des Universums, das größtenteils erhalten bleibt ein Rätsel, etwa 90 Jahre nachdem seine Existenz endgültig theoretisiert wurde.

Nach dem Modell der Lambda-kalten Dunklen Materie der Urknallkosmologie – dem Arbeitsmodell des Universums, von dem viele Astrophysiker darin übereinstimmen, dass es die vernünftigsten Erklärungen dafür liefert, warum es so ist, wie es ist – sind 85 % der gesamten Materie im Universum vorhanden Dunkle Materie. Aber was genau ist Dunkle Materie?

„Wir wissen, dass es im Universum viel dunkle Materie gibt, aber wir haben keine Ahnung, woraus diese dunkle Materie besteht und um welche Art von Teilchen es sich handelt. Wir wissen nur, dass sie dort ist, weil sie einen gravitativen Einfluss hat“, sagte Bruno Villasenor ehemaliger Doktorand am UCSC und Hauptautor der Arbeit des Teams, die kürzlich in veröffentlicht wurde Körperliche Untersuchung D. „Aber wenn wir die Eigenschaften der Dunklen Materie, die wir sehen, einschränken können, können wir einige mögliche Kandidaten ausschließen.“

Durch die Erstellung von mehr als 1.000 hochauflösenden hydrodynamischen Simulationen auf dem Summit-Supercomputer im Oak Ridge National Laboratory des Energieministeriums modellierte das Team den Lyman-Alpha-Wald, eine Reihe von Absorptionsstrukturen, die als Licht entfernter heller Objekte bezeichnet werden Quasare treffen auf ihrem Weg zur Erde auf Materie. Diese Flecken diffusen kosmischen Gases bewegen sich alle mit unterschiedlicher Geschwindigkeit und haben unterschiedliche Massen und Ausmaße und bilden einen „Wald“ aus Absorptionslinien.

Anschließend simulierten die Forscher Universen mit unterschiedlichen Eigenschaften der Dunklen Materie, die die Struktur des kosmischen Netzes beeinflussen und die Fluktuationen des Lyman-Alpha-Waldes verändern. Das Team verglich die Ergebnisse der Simulationen mit Schwankungen im tatsächlichen Lyman-Alpha-Wald, die von Teleskopen am WM-Keck-Observatorium und am Very Large Telescope des European Southern Observatory beobachtet wurden, und eliminierte dann Konkurrenten aus der Dunklen Materie, bis sie die beste Übereinstimmung fanden.

Folglich widersprachen die Ergebnisse des Teams der Hauptannahme des Lambda-CDM-Modells, dass die Dunkle Materie des Universums kalte Dunkle Materie sei – daher die Abkürzung des Modells, die sich auf die langsamen thermischen Geschwindigkeiten der Dunklen Materie und nicht auf ihre Temperatur bezieht. Stattdessen deutete der Top-Prospekt der Studie auf die gegenteilige Annahme hin: Wir könnten tatsächlich in einem Universum aus warmer dunkler Materie mit höheren thermischen Geschwindigkeiten leben.

„Lambda-CDM bietet einen gelungenen Überblick über eine Vielzahl von Beobachtungen in der Astronomie und Kosmologie. Aber es gibt leichte Risse in diesem Fundament. Und was wir wirklich versuchen, ist, diese Risse zu beseitigen und zu sehen, ob es damit Probleme gibt.“ grundlegendes Fundament. Stehen wir auf festem Boden?“ sagte Brant Robertson, Projektleiter und Professor an der Abteilung für Astronomie und Astrophysik der UCSC.

Abgesehen davon, dass das UCSC-Projekt möglicherweise einige lange gehegte Annahmen über die Dunkle Materie und das Universum selbst in Frage stellt, zeichnet es sich auch durch seine Rechenleistung aus. Das Team hat eine beispiellos umfassende Reihe von Simulationen erstellt, die mit modernster Simulationssoftware erstellt wurden, die die Physik berücksichtigt, die die Struktur des kosmischen Netzes formt, und die Rechenleistung der größten Supercomputer der Welt nutzt.

Das UCSC-Team verwendete einen GPU-optimierten Hydrodynamikcode namens Cholla oder Computational Hydrodynamics On ParaLLel Architectures als Ausgangspunkt für seine Simulationen auf Summit. Cholla wurde von Evan Schneider, einem Assistenzprofessor an der Fakultät für Physik und Astronomie der Universität Pittsburgh, entwickelt und sollte ursprünglich Benutzern helfen, besser zu verstehen, wie sich die Gase des Universums im Laufe der Zeit entwickeln, indem es als Löser für die Fluiddynamik fungiert. Allerdings benötigte das UCSC-Team mehrere weitere physikalische Löser, um sein Projekt zur Dunklen Materie in Angriff zu nehmen, sodass Villasenor sie im Laufe von drei Jahren für seine Doktorarbeit an der UCSC in Cholla integrierte.

„Im Grunde musste ich Cholla um etwas Physik erweitern: die Physik der Schwerkraft, die Physik der Dunklen Materie, die Physik des expandierenden Universums, die Physik der chemischen Eigenschaften der Gase und die chemischen Eigenschaften von Wasserstoff und Helium.“ sagte Villasenor. „Wie wird das Gas durch Strahlung im Universum erhitzt? Wie wird sich dadurch die Verteilung des Gases ausbreiten? Diese Physik ist notwendig, um diese Art von kosmologischen hydrodynamischen Simulationen durchzuführen.“

Dabei hat Villasenor einen der umfassendsten Simulationscodes zur Modellierung des Universums zusammengestellt. Bisher mussten Astrophysiker typischerweise auswählen, welche Parameter sie in ihre Simulationen einbeziehen wollten. In Kombination mit der Rechenleistung von Summit stehen ihnen nun viel mehr physikalische Parameter zur Verfügung.

„Eines der Dinge, die Bruno erreicht hat, ist etwas, was Forscher schon seit vielen Jahren tun wollten und das eigentlich nur durch die Supercomputersysteme am OLCF ermöglicht wurde: die Physik des Universums tatsächlich auf viele verschiedene Arten dramatisch zu verändern“, sagte Robertson. „Das ist ein großer Fortschritt – die Physik gleichzeitig zu verknüpfen und dies so zu tun, dass man sie direkt mit den Beobachtungen vergleichen kann.“

„So etwas war bisher einfach nicht möglich. Der Rechenaufwand liegt um Größenordnungen über dem, was zuvor gemacht wurde.“

Schneider, die Villasenor bei seiner Arbeit zur Erweiterung von Cholla beraten hat, sagte, sie denke, dass seine Ergänzungen „völlig entscheidend“ sein werden, da sie Cholla auf ihre eigenen Simulationen auf dem neuen Frontier-Supercomputer der Exascale-Klasse vorbereitet, der zusammen mit Summit im OLCF untergebracht ist. eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am ORNL. Sie leitet ein Projekt im Rahmen des Frontier Center for Accelerated Application Readiness-Programms zur Simulation der Milchstraße und wird einige der von Villasenor hinzugefügten Solver verwenden.

„Astrophysik-Software unterscheidet sich sehr von anderen Arten von Software, denn ich glaube nicht, dass es jemals eine ultimative Version gibt, und das trifft bei Cholla ganz sicher nicht zu“, sagte Schneider. „Man kann sich Cholla wie ein Multitool vorstellen. Je mehr Teile wir also zu unserem Multitool hinzufügen, desto mehr Probleme können wir lösen. Wenn ich das ursprüngliche Werkzeug nur als Taschenmesser gebaut habe, dann wäre es so, als hätte Bruno einen Schraubenzieher hinzugefügt – da.“ „Das sind eine ganze Klasse von Problemen, die wir jetzt lösen können, die wir mit dem ursprünglichen Code nicht lösen konnten. Je mehr Dinge wir hinzufügen, desto kompliziertere Probleme werden wir lösen können.“