숲속의 우주빛

천체의 등대처럼 멀리 있는 퀘이사는 우주에서 가장 밝은 빛을 발산합니다. 그들은 우리 은하계 전체보다 더 많은 빛을 방출합니다. 빛은 초거대질량 블랙홀이 삼키면서 찢겨진 물질에서 나옵니다. 우주론적 매개변수는 천문학자들이 빅뱅 이후 수십억 년 동안 전체 우주의 진화를 추적하는 데 사용하는 중요한 수치적 제약입니다.

퀘이사광은 빅뱅 직후에 형성된 2천만 광년 이상의 규모의 거대한 중성 수소 가스 구름을 통해 빛을 비추면서 우주의 대규모 구조에 대한 단서를 밝혀줍니다.

NSF(National Science Foundation)가 지원하는 TACC(Texas Advanced Computing Center)의 Frontera 슈퍼컴퓨터는 퀘이사 빛 데이터를 사용하여 천문학자들이 우주의 대규모 구조를 시뮬레이션하기 위해 만들어진 최대 규모의 유체 역학 시뮬레이션 제품군인 PRIYA를 개발하는 데 도움을 주었습니다.

“우리는 실제 우주에 존재하는 데이터를 비교하기 위해 새로운 시뮬레이션 모델을 만들었습니다”라고 캘리포니아 대학 리버사이드의 천문학 조교수인 Simeon Bird가 말했습니다.

Bird와 동료들은 SDSS(Sloan Digital Sky Survey)의 eBOSS(Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey)에서 광학적 빛 데이터를 가져오는 PRIYA를 개발했습니다. 그와 동료들은 PRIYA를 2023년 10월에 발표하는 작업을 발표했습니다. 우주론 및 천체 입자 물리학 저널(JCAP).

Bird는 “우리는 eBOSS 데이터를 다양한 우주론적 매개변수와 우주의 다양한 초기 조건(예: 다양한 물질 밀도)을 갖는 다양한 시뮬레이션 모델과 비교합니다.”라고 설명했습니다. “가장 잘 작동하는 것을 찾고 데이터와 시뮬레이션 사이의 합리적인 합의를 깨지 않고 그로부터 얼마나 멀리 갈 수 있는지를 찾습니다. 이 지식은 우주에 얼마나 많은 물질이 있는지, 또는 우주에 얼마나 많은 구조가 있는지 알려줍니다. 우주.”

PRIYA 시뮬레이션 제품군은 Bird가 공동 개발한 ASTRID라는 대규모 우주 시뮬레이션과 연결되어 있습니다. ASTRID는 은하 형성, 초거대 블랙홀의 융합, 우주 역사 초기의 재이온화 기간을 연구하는 데 사용됩니다. . PRIYA는 한 단계 더 나아갑니다. ASTRID에서 발견한 은하 정보와 블랙홀 형성 규칙을 가져와 초기 조건을 변경합니다.

“이러한 규칙을 사용하여 우리는 은하와 블랙홀을 일치시키는 우리가 개발한 모델을 채택한 다음 초기 조건을 변경하고 이를 중성 수소 가스의 eBOSS에서 얻은 Lyman-𝛼 숲 데이터와 비교할 수 있습니다.” 새가 말했다.

라이먼-𝛼 숲’이라는 이름은 중성 수소 원자의 에너지 준위 사이의 전자 전이로 인해 발생하는 퀘이사 스펙트럼 그래프에 빽빽하게 들어찬 흡수선이 있는 ‘숲’에서 유래되었습니다. ‘숲’은 거대한 은하간 중성수소 구름의 분포, 밀도, 온도를 나타냅니다. 더욱이, 가스의 덩어리는 아직 볼 수 없는 가상의 물질인 암흑 물질의 존재를 나타냅니다. 이는 은하에 대한 잡아당김이 관찰되면서 분명해집니다.

PRIYA 시뮬레이션은 2023년 9월 JCAP에 제출된 작업에서 우주 매개변수를 개선하는 데 사용되었으며 Simeon Bird와 그의 UC Riverside 동료 MA Fernandez 및 Ming-Feng Ho가 작성했습니다.

중성미자 질량 매개변수에 대한 이전 분석은 빅뱅의 잔광으로 설명되는 우주 마이크로파 배경 복사(CMB)의 데이터와 일치하지 않았습니다. 천문학자들은 플랭크 우주 관측소의 CMB 데이터를 사용하여 중성미자 질량을 엄격하게 제한합니다. 중성미자는 우주에서 가장 풍부한 입자이므로 질량 값을 정확히 찾아내는 것은 우주의 대규모 구조에 대한 우주론적 모델에 중요합니다.

“우리는 이전보다 훨씬 더 크고 더 잘 설계된 시뮬레이션을 사용하여 새로운 분석을 수행했습니다. Planck CMB 데이터와의 초기 불일치는 사라지고 다른 낮은 적색 편이 대규모 구조에서 볼 수 있는 것과 유사한 다른 장력으로 대체되었습니다. 측정을 했다고 버드가 말했다. “이 연구의 주요 결과는 CMB 측정과 약한 렌즈 사이의 σ8 장력이 100억년 전 적색편이 2까지 존재한다는 것을 확인하는 것입니다.”

PRIYA 연구에서 잘 제한된 매개변수 중 하나는 8메가파섹 또는 260만 광년 규모의 중성 수소 가스 구조의 양인 σ8입니다. 이는 주변에 떠다니는 암흑물질 덩어리의 수를 의미한다”고 버드는 말했다.

제한된 또 다른 매개변수는 스칼라 스펙트럼 지수인 ns였습니다. 이는 분석된 영역의 크기에 따라 암흑물질의 뭉침 정도가 어떻게 달라지는지와 관련이 있다. 이는 빅뱅 직후 우주가 얼마나 빠른 속도로 팽창하고 있었는지 나타냅니다.

“스칼라 스펙트럼 지수는 우주가 처음에 어떻게 행동하는지를 설정합니다. PRIYA의 전체 아이디어는 우주의 초기 조건과 우주의 고에너지 물리학이 어떻게 행동하는지 알아내는 것입니다.”라고 Bird는 말했습니다.

PRIYA 시뮬레이션에는 슈퍼컴퓨터가 너무 크기 때문에 슈퍼컴퓨터가 필요했다고 Bird는 설명했습니다.

Bird는 “PRIYA 시뮬레이션에 필요한 메모리 요구 사항이 너무 커서 슈퍼컴퓨터 이외의 다른 곳에 설치할 수 없습니다.”라고 말했습니다.

TACC는 Bird에게 Frontera 슈퍼컴퓨터에 대한 리더십 자원 할당을 수여했습니다. 또한 UC Riverside 고성능 컴퓨터 클러스터의 리소스를 사용하여 분석 계산이 수행되었습니다.

Frontera의 PRIYA 시뮬레이션은 지금까지 만들어진 가장 큰 우주 시뮬레이션 중 하나로, ‘상자’ 안의 3072^3(약 290억) 입자 시스템을 시뮬레이션하는 데 100,000 코어 시간 이상이 필요합니다. 가장자리는 120메가파섹, 즉 약 391만 개의 빛입니다. 몇 년에 걸쳐. PRIYA 시뮬레이션은 Frontera에서 600,000노드 시간 이상을 소비했습니다.

“프론테라는 연구에 매우 중요했습니다. 슈퍼컴퓨터는 이러한 시뮬레이션 중 하나를 상당히 쉽게 실행할 수 있을 만큼 커야 하고 많은 시뮬레이션을 실행해야 했기 때문입니다. 프론테라와 같은 것이 없었다면 우리는 이 문제를 해결할 수 없었을 것입니다. 시간이 오래 걸리는 것이 아니라 전혀 달릴 수 없을 뿐입니다.”라고 Bird는 말했습니다.

또한 TACC의 Ranch 시스템은 PRIYA 시뮬레이션 데이터를 위한 장기 저장 공간을 제공했습니다.

“목장은 중요합니다. 이제 다른 프로젝트에 PRIYA를 재사용할 수 있기 때문입니다. 이는 과학적 영향을 두 배 또는 세 배로 늘릴 수 있습니다.”라고 Bird는 말했습니다. ”

Bird는 “더 많은 컴퓨팅 성능에 대한 우리의 욕구는 끝이 없습니다”라고 결론지었습니다. “우리가 여기 이 작은 행성에 앉아 우주의 대부분을 관찰하고 있다는 것은 정말 놀라운 일입니다.”

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/12/231221012808.htm