En 2016, une équipe internationale de scientifiques a trouvé des preuves définitives - de minuscules ondulations dans l'espace connues sous le nom d'ondes gravitationnelles - pour soutenir l'une des dernières prédictions non testées de la théorie de la relativité générale d'Einstein. L'équipe a utilisé le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), qui a depuis fait plusieurs découvertes d'ondes gravitationnelles. Chaque découverte a été possible en partie grâce à un réseau mondial de clusters de supercalculateurs, dont l'un est hébergé à Penn State. Les chercheurs utilisent ce réseau, connue sous le nom de grille de données LIGO, pour analyser les données des ondes gravitationnelles.

Penn State a récemment investi dans une mise à niveau de sa partie de la grille de données qui quadruplera à peu près la capacité du cluster à mener des recherches de pointe en astronomie et en astrophysique. Le nouveau cluster, 192 serveurs travaillant en tandem, est administré par l'Institute for CyberScience (ICS). Bangalore Sathyaprakash, professeur d'astronomie et d'astrophysique et professeur Elsbach de physique; et Chad Hanna, professeur agrégé de physique et d'astronomie et d'astrophysique, et membre du corps professoral co-embauché de l'ICS, sont les principaux chercheurs qui utiliseront le nouveau système avec leur équipe de recherche et leurs collaborateurs.

Accélérer la recherche des professeurs et des étudiants

"A Penn State, nous sommes impliqués dans tous les aspects de l'astronomie des ondes gravitationnelles, que nous utilisons pour en savoir plus sur l'univers, " dit Sathyaprakash. " Jusqu'à la découverte des ondes gravitationnelles, la seule façon d'observer l'univers était d'utiliser la lumière, ondes radio ou rayons gamma, qui appartiennent tous au spectre électromagnétique. Les ondes gravitationnelles nous permettent de créer une image complémentaire de l'univers et de révéler des processus et des phénomènes qui pourraient autrement ne pas être révélés par l'observation électromagnétique."

Le nouveau cluster augmentera considérablement la vitesse à laquelle les chercheurs peuvent terminer l'analyse, selon Chad Hanna. Lui et ses collègues ont récemment terminé la première étude utilisant des données hébergées sur le cluster LIGO de Penn State. L'équipe a conçu une expérience pour quantifier le nombre de trous noirs binaires dans l'univers qui ont moins de masse que le Soleil, ce qui peut avoir des implications sur la quantité de matière noire dans l'univers.

"Notre première étude qui a utilisé uniquement le cluster Penn State LIGO a pris 12 semaines, " a déclaré Hanna. " Si nous devions terminer la même enquête sur le cluster mis à niveau aujourd'hui, cela ne prendrait que trois semaines."

La mise à niveau augmente le cluster de 1, 152 cœurs de calcul à 4, 608 cœurs, ce qui permettra à plus de chercheurs d'utiliser le système simultanément. Pour référence, cela équivaut à peu près à plus de 1, 000 ordinateurs de bureau fonctionnant à l'unisson.

"Je suis très enthousiasmé par les machines supplémentaires, " a déclaré Ryan Magee, étudiant diplômé en physique. « Cela permet d'exécuter plusieurs analyses à la fois sans trop de goulot d'étranglement. »

Magee prévoit d'utiliser le cluster pour rechercher des objets compacts de masse sous-solaire dans l'univers, il a dit, car « ils ne sont pas produits par des mécanismes stellaires, ce serait donc un soupçon de nouvelle physique."

Les chercheurs à tous les niveaux utiliseront la nouvelle ressource, y compris des étudiants de premier cycle comme Phoebe McClincy, étudiant en deuxième année d'astronomie et d'astrophysique, et un boursier du millénaire. McClincy a été exposé pour la première fois à la recherche sur les ondes gravitationnelles en tant qu'élève du secondaire participant à un camp d'été de Penn State dirigé par Hanna.

"Au cours de ce camp d'été, j'ai eu l'opportunité de visiter le cluster, et je me souviens avoir pensé que c'était vraiment cool et fascinant de voir l'autre côté de l'ordinateur, " dit McClincy, maintenant membre de l'équipe de recherche d'Hanna. "J'ai toujours pensé que la technologie comme celle-ci est incroyable, donc j'ai hâte de voir ce qui peut être fait maintenant que ce sera encore plus avancé."

Renforcement des capacités pour les futures découvertes LIGO

La première itération des observatoires de LIGO a collecté des données de 2002 à 2010, mais n'a détecté aucune onde gravitationnelle. Remise à niveau des observatoires dans leur état actuel, connu sous le nom de LIGO avancé, considérablement augmenté leurs capacités de détection, et, par conséquent, le système a détecté six événements d'ondes gravitationnelles depuis 2016.

Sathyaprakash a déclaré qu'il est prévu de continuer à améliorer les capacités de détection des observatoires d'ondes gravitationnelles, qui présentera à la fois des opportunités et des défis pour les chercheurs.

"Lorsque le LIGO avancé atteint sa sensibilité de conception, nous observerons des collisions de trous noirs binaires jusqu'à des dizaines de milliards d'années-lumière et des fusions d'étoiles à neutrons binaires à des milliards d'années-lumière. Avec la construction dans les années 2030 de nouveaux détecteurs 10 fois plus sensibles que les actuels, nous pourrons observer l'univers entier en ondes gravitationnelles pour les trous noirs et la majeure partie de l'univers pour les étoiles à neutrons, " il a dit.

Venir avec cela sera des défis dans la collecte, stocker et analyser d'énormes quantités de données. Il a fallu entre un et trois mois pour analyser chaque onde gravitationnelle détectée à ce jour.

"Avec LIGO avancé, nous nous attendons à observer un événement tous les jours ou tous les deux jours, cela offrira un énorme défi de calcul, et ainsi chaque bit aide, " a-t-il déclaré. " Avec ce nouveau cluster LIGO, ce que nous avons fait, c'est d'obtenir suffisamment de ressources pour être complètement indépendants dans nos analyses. ICS et Penn State permettent cette science difficile. Sans ce nouveau cluster, nous serions très gravement empêchés de faire la science que nous voulons faire. »