Istraživački tim sa Univerziteta Kalifornije, Santa Kruz, koristio je superkompjuter Summit Oak Ridge Leadership Computing Facility-a da pokrene jedan od najkompletnijih kosmoloških modela koji tek treba da ispita svojstva tamne materije – hipotetičku kosmičku mrežu univerzuma koja uglavnom ostaje misterija nekih 90 godina nakon njenog postojanja definitivno je teoretizovana.
Prema modelu lambda-hladne tamne materije kosmologije Velikog praska—koji je radni model univerzuma za koji se mnogi astrofizičari slažu da pruža najrazumnija objašnjenja zašto je takav kakav jeste—85% ukupne materije u univerzumu je Tamna materija. Ali šta je zapravo tamna materija?
„Znamo da u univerzumu ima mnogo tamne materije, ali nemamo pojma šta čini tu tamnu materiju, kakva je to čestica. Znamo samo da je tu zbog svog gravitacionog uticaja“, rekao je Bruno Villasenor, bivši student doktorskih studija na UCSC i vodeći autor rada tima, koji je nedavno objavljen u Phisical Reviev D. „Ali ako možemo ograničiti svojstva tamne materije koju vidimo, onda možemo odbaciti neke moguće kandidate.“
Proizvodnjom više od 1.000 hidrodinamičkih simulacija visoke rezolucije na superkompjuteru Summit koji se nalazi u Nacionalnoj laboratoriji Oak Ridge Ministarstva energetike, tim je modelirao Liman-Alpha šumu, koja predstavlja niz karakteristika apsorpcije formiranih kao svetlost udaljenih svetlih objekata tzv. kvazari nailaze na materijal na svom putu do Zemlje. Svi ovi delovi difuznog kosmičkog gasa se kreću različitim brzinama i imaju različite mase i obim, formirajući „šumu“ apsorpcionih linija.
Istraživači su zatim simulirali univerzume sa različitim svojstvima tamne materije koja utiču na strukturu kosmičke mreže, menjajući fluktuacije Liman-Alfa šume. Tim je uporedio rezultate iz simulacija sa fluktuacijama u stvarnoj šumi Lajman-Alfa koju su posmatrali teleskopi u opservatoriji V. M. Keck i veoma velikom teleskopu Evropske južne opservatorije, a zatim je eliminisao kandidate za tamnu materiju dok nisu pronašli svoj najbliži spoj.
Shodno tome, rezultati tima bili su u suprotnosti sa primarnom tvrdnjom Lambda-CDM modela da je tamna materija univerzuma hladna tamna materija – otuda i skraćenica modela, koja upućuje na spore toplotne brzine tamne materije, a ne na njenu temperaturu. Umesto toga, najveći izgledi studije ukazivali su na suprotnu pretpostavku: možda zaista živimo u univerzumu tople tamne materije, sa većim toplotnim brzinama.
„Lambda-CDM pruža uspešan pogled na ogroman opseg posmatranja u okviru astronomije i kosmologije. Ali postoje male pukotine u toj osnovi. A ono što zaista pokušavamo da uradimo je da proguramo te pukotine i vidimo da li ima problema sa tim. temeljna osnova. Da li smo na čvrstom tlu?“ rekao je Brant Robertson, vođa projekta i profesor na Odseku za astronomiju i astrofiziku UCSC.
Pored mogućeg uznemiravanja nekoliko dugotrajnih pretpostavki o tamnoj materiji i samom univerzumu, projekat UCSC se takođe ističe po svom računarskom podvigu. Tim je postigao neviđeno sveobuhvatan skup simulacija proizvedenih sa najsavremenijim softverom za simulaciju koji objašnjava fiziku koja oblikuje strukturu kosmičke mreže i koristi računarsku snagu najvećih superkompjutera na svetu.
Tim UCSC-a je koristio hidrodinamički kod optimizovan za GPU pod nazivom Cholla, ili računarska hidrodinamika na paralelnim arhitekturama, kao polaznu tačku za svoje simulacije na Summitu. Razvijen od strane Evana Šnajdera, docenta na Odseku za fiziku i astronomiju Univerziteta u Pitsburgu, Cholla je prvobitno trebalo da pomogne korisnicima da bolje razumeju kako se gasovi univerzuma razvijaju tokom vremena, delujući kao rešavač dinamike fluida. Međutim, timu UCSC-a je bilo potrebno još nekoliko rešavača fizike da bi se pozabavili svojim projektom tamne materije, pa ih je Villasenor integrisao u Chollu tokom tri godine za svoju doktorsku disertaciju na UCSC-u.
„U suštini, morao sam da proširim Čolu dodavanjem neke fizike: fiziku gravitacije, fiziku tamne materije, fiziku svemira koji se širi, fiziku hemijskih svojstava gasova i hemijskih svojstava vodonika i helijuma. rekao je Villasenor. „Kako će gas biti zagrejan zračenjem u univerzumu? Kako će to propagirati distribuciju gasa? Ova fizika je neophodna da bi se uradile ove vrste kosmoloških hidrodinamičkih simulacija.“
U tom procesu, Villasenor je sastavio jedan od najkompletnijih simulacionih kodova za modeliranje univerzuma. Ranije su astrofizičari obično morali da biraju koje parametre će uključiti u svoje simulacije. Sada, u kombinaciji sa računarskom snagom Samita, na raspolaganju imaju mnogo više fizičkih parametara.
„Jedna od stvari koje je Bruno postigao je nešto što su istraživači hteli da urade dugi niz godina i zaista su joj omogućili samo superkompjuterski sistemi u OLCF-u: da se zapravo dramatično promeni fizika univerzuma na mnogo različitih načina“, rekao je Robertson. „To je ogroman korak napred – da možete istovremeno povezati fiziku i to učiniti na način na koji ih možete direktno uporediti sa zapažanjima.
„Jednostavno ranije nije bilo moguće uraditi nešto slično. To je red veličine, u smislu računskog izazova, iznad onoga što je ranije urađeno.“
Šnajder, koja je savetovala Vilasenora o njegovom radu na proširenju Cholla-a, rekla je da misli da će njegovi dodaci biti „potpuno kritični“ dok ona priprema Čolu za sopstvene simulacije na novom Frontier superkompjuteru klase ekascale, koji se nalazi zajedno sa Samitom u OLCF-u, korisnički objekat DOE Office of Science na ORNL. Ona vodi projekat kroz program Frontier Centra za ubrzanu spremnost aplikacija za simulaciju galaksije Mlečni put i koristiće neke od rešavača koje je dodao Villasenor.
„Softver za astrofiziku se veoma razlikuje od drugih vrsta softvera jer mislim da nikada ne postoji bilo kakva ultimativna verzija, a to svakako nije slučaj sa Čolom“, rekao je Šnajder. „Možete da mislite o Cholli kao o višenamenskom alatu, tako da što više delova dodamo u naš višenamenski alat, više vrsta problema možemo da rešimo. Ako sam napravio originalni alat kao samo džepni nož, onda je to kao da je Bruno dodao šrafciger—eto su čitava klasa problema koje sada možemo da rešimo a koje nismo mogli da rešimo originalnim kodom. Kako budemo dodavali sve više i više stvari, moći ćemo da se pozabavimo sve komplikovanijim problemima.“
