Inspiré par la science-fiction des Romuliens spatiaux de Star Trek, les astrophysiciens ont utilisé des supercalculateurs alloués par XSEDE pour développer des simulations informatiques cosmologiques appelées RomulusC, où le 'C' signifie amas de galaxies. En mettant l'accent sur la physique des trous noirs, RomulusC a produit des simulations d'amas de galaxies parmi les plus hautes résolutions jamais réalisées, qui peut contenir des centaines voire des milliers de galaxies.

Sur Star Trek, les Romuliens ont alimenté leurs vaisseaux spatiaux avec un trou noir artificiel. En réalité, il s'avère que les trous noirs peuvent conduire à la formation d'étoiles et à l'évolution de galaxies entières. Et ce travail sur les amas de galaxies aide les scientifiques à cartographier l'univers inconnu.

Une étude d'octobre 2019 a donné les résultats des simulations RomulusC, publié dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society . Il a sondé le gaz ionisé composé principalement d'hydrogène et d'hélium à l'intérieur et autour du milieu intracluster, qui remplit l'espace entre les galaxies d'un amas de galaxies.

Chaud, un gaz dense de plus d'un million de degrés Kelvin remplit l'amas interne d'une métallicité à peu près uniforme. Du gaz froid-chaud entre dix mille et un million de degrés Kelvin se cache dans des distributions inégales à la périphérie, avec une plus grande variété de métaux. Ressemblant à la queue d'une méduse, le gaz froid-chaud retrace le processus des galaxies tombant dans l'amas et perdant leur gaz. Le gaz est extrait de la galaxie en chute et se mélange finalement avec la région interne de l'amas de galaxies.

"Nous constatons qu'il y a une quantité substantielle de ce gaz froid-chaud dans les amas de galaxies, " a déclaré Iryna Butsky, co-auteur de l'étude, un doctorat Étudiant au Département d'Astronomie de l'Université de Washington. "Nous voyons que ce gaz froid-chaud se trace à des structures extrêmement différentes et complémentaires par rapport au gaz chaud. Et nous prévoyons également que ce composant froid-chaud peut être observé maintenant avec des instruments existants comme le spectrographe d'origines cosmiques du télescope spatial Hubble."

Les scientifiques commencent tout juste à sonder le milieu intracluster, qui est si diffuse que ses émissions sont invisibles pour tous les télescopes actuels. Les scientifiques utilisent RomulusC pour aider à voir les amas indirectement en utilisant la lumière ultraviolette (UV) des quasars, qui agissent comme un phare brillant à travers le gaz. Le gaz absorbe la lumière UV, et le spectre résultant donne la densité, Température, et les profils de métallicité lorsqu'ils sont analysés avec des instruments comme le spectrographe d'origines cosmiques à bord du télescope spatial Hubble.

« Une chose vraiment intéressante à propos des simulations, c'est que nous savons ce qui se passe partout à l'intérieur de la boîte simulée, " a déclaré Butsky. " Nous pouvons faire des observations synthétiques et les comparer à ce que nous voyons réellement dans les spectres d'absorption, puis relier les points et faire correspondre les spectres observés et essayer de comprendre ce qui se passe réellement dans cette boîte simulée. "

Ils ont appliqué un outil logiciel appelé Trident développé par Cameron Hummels de Caltech et ses collègues qui prend les spectres de raies d'absorption synthétiques et ajoute un peu de bruit et de bizarreries d'instrument connues sur le HST.

"Le résultat final est un spectre très réaliste que nous pouvons comparer directement aux observations existantes, " Butsky a dit. "Mais, ce que nous ne pouvons pas faire avec les observations, c'est reconstruire des informations tridimensionnelles à partir d'un spectre unidimensionnel. C'est ce qui comble le fossé entre les observations et les simulations."

Une hypothèse clé derrière les simulations RomulusC soutenues par la science la plus récente est que le gaz constituant le milieu intraamas provient au moins en partie des galaxies elles-mêmes. "Nous devons modéliser comment ce gaz sort des galaxies, ce qui se passe à travers les supernovae qui se déclenchent, et des supernovae provenant de jeunes étoiles, " a déclaré le co-auteur de l'étude Tom Quinn, professeur d'astronomie à l'Université de Washington. Cela signifie une plage dynamique de plus d'un milliard à gérer.

Quoi de plus, les clusters ne se forment pas isolément, leur environnement doit donc être pris en compte.

Ensuite, il y a un défi de calcul qui est particulier aux clusters. « La plupart des opérations de calcul se déroulent au centre même du cluster. Même si nous simulons un volume beaucoup plus important, la plupart des calculs se déroulent à un endroit particulier. Il y a un défi de, alors que vous essayez de simuler cela sur un grand superordinateur avec des dizaines de milliers de cœurs, comment répartissez-vous ce calcul entre ces cœurs, " dit Quinn.

Quinn n'est pas étranger aux défis informatiques. Depuis 1995, il a utilisé les ressources de XSEDE, l'environnement de découverte des sciences et de l'ingénierie extrêmes, financé par la National Science Foundation (NSF).

« Au cours de ma carrière, la capacité de la NSF à fournir un calcul haut de gamme a aidé au développement global du code de simulation qui a produit cela, " a déclaré Quinn. " Ces codes parallèles prennent un certain temps à se développer. Et XSEDE m'a soutenu tout au long de cette période de développement. L'accès à une variété de machines haut de gamme a aidé au développement du code de simulation."

RomulusC a commencé comme une preuve de concept avec un temps d'utilisation convivial sur le système Stampede2 au Texas Advanced Computing Center (TACC), lorsque les processeurs Knights Landing sont devenus disponibles pour la première fois. « J'ai reçu de l'aide du personnel de TACC pour mettre le code en place et le faire fonctionner sur le multi-cœur, Machines à 68 cœurs par puce."

Quinn et ses collègues ont finalement augmenté RomulusC à 32, 000 processeurs et terminé la simulation sur le système Blue Waters du National Center for Supercomputing Applications. Le long du chemin, il a également utilisé le supercalculateur Pléiades de la NASA et le système Comet alloué par XSEDE au San Diego Supercomputer Center, une unité de recherche organisée de l'Université de Californie à San Diego.

"Comet remplit une niche particulière, dit Quinn. "Il dispose de grands nœuds mémoire disponibles. Aspects particuliers de l'analyse, par exemple identifier les galaxies, n'est pas facile à faire sur une machine à mémoire distribuée. Avoir la grande machine à mémoire partagée disponible était très bénéfique. Dans un sens, nous n'avons pas eu à paralléliser complètement cet aspect particulier de l'analyse. C'est le principal, avoir la grande machine de données."

"Sans XSEDE, nous n'aurions pas pu faire cette simulation, " a raconté Quinn. " C'est essentiellement une simulation de capacité. Nous avions besoin de la capacité de faire la simulation, mais aussi la capacité des machines d'analyse."

La prochaine génération de simulations est réalisée à l'aide du système Frontera financé par la NSF, le supercalculateur universitaire le plus rapide et actuellement le 5e plus rapide au monde. "En ce moment sur Frontera, nous effectuons des analyses à une résolution plus élevée de galaxies individuelles, " a déclaré Quinn. " Depuis que nous avons commencé ces simulations, nous avons travaillé à prouver comment nous modélisons la formation des étoiles. Et bien sûr, nous avons plus de puissance de calcul, donc juste une résolution de masse purement plus élevée, de nouveau, pour rendre nos simulations de galaxies individuelles plus réalistes. Des clusters plus nombreux et plus gros seraient bien aussi, " ajouta Quinn.

Butsky a déclaré :"Ce que je trouve vraiment cool dans l'utilisation de superordinateurs pour modéliser l'univers, c'est qu'ils jouent un rôle unique en nous permettant de faire des expériences. Dans de nombreuses autres sciences, vous avez un laboratoire où vous pouvez tester vos théories. Mais en astronomie, vous pouvez proposer une théorie stylo et papier et observer l'univers tel qu'il est. Mais sans simulation, il est très difficile de faire ces tests car il est difficile de reproduire certains des phénomènes extrêmes dans l'espace, comme les échelles temporelles et obtenir les températures et les densités de certains de ces objets extrêmes. Les simulations sont extrêmement importantes pour pouvoir progresser dans les travaux théoriques."

L'étude, "Signatures ultraviolettes des milieux multiphasiques intra-amas et circumgalactiques dans la simulation RomulusC, " a été publié en octobre 2019 dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society . Les co-auteurs de l'étude sont Iryna S. Butsky, Thomas R. Quinn, et Jessica K. Werk de l'Université de Washington; Joseph N. Burchett de l'UC Santa Cruz, et Daisuke Nagai et Michael Tremmel de l'Université de Yale. Le financement de l'étude est venu de la NSF et de la NASA.