科学家使用超级计算机揭开暗物质和宇宙演化的奥秘

PRIYA超级计算机对莱曼-α森林光谱数据进行的模拟是同类计算机中规模最大的，说明了宇宙的大尺度结构。

遥远的类星体像宇宙灯塔一样闪耀，产生宇宙中最亮的光。这些类星体在光发射方面甚至超过了我们整个银河系。这种巨大的光起源于物质在被超大质量黑洞吞噬时被撕裂。宇宙学参数是天文学家的重要数值工具，使他们能够追踪宇宙大爆炸后数十亿年的演化。

类星体光揭示了宇宙大尺度结构的线索，因为它穿过大爆炸后不久形成的巨大中性氢气云，其规模为2000万光年或更远。

仿真技术的进步

利用类星体光数据，美国国家科学基金会（NSF）资助的德克萨斯州高级计算中心（TACC）的Frontera超级计算机帮助天文学家开发了PRIYA，这是迄今为止最大的一套流体动力学模拟，用于模拟宇宙中的大规模结构。

“我们创建了一个新的模拟模型来比较真实宇宙中存在的数据，”加州大学河滨分校天文学助理教授Simeon Bird说。

Bird及其同事开发了PRIYA，它从斯隆数字巡天（SDSS）的扩展重子振荡光谱巡天（eBOSS）中获取光学数据。他和同事在《宇宙学与天体粒子物理学杂志》（JCAP）上发表了他们的研究成果，宣布了2023年10月的PRIYA。

“我们将eBOSS数据与具有不同宇宙学参数和不同初始条件的各种模拟模型进行比较，例如不同的物质密度，”Bird解释说。“你找到最有效的方法，以及在不破坏数据和模拟之间的合理一致性的情况下，你可以走多远。这些知识告诉我们宇宙中有多少物质，或者宇宙中有多少结构。

PRIYA在宇宙学研究中的作用

PRIYA模拟套件与Bird共同开发的大规模宇宙学模拟有关，称为ASTRID，用于研究星系形成，超大质量黑洞的合并以及宇宙历史早期的再电离期。PRIYA 更进一步。它利用了星系信息和ASTRID中发现的黑洞形成规则，并改变了初始条件。

“有了这些规则，我们就可以采用我们开发的匹配星系和黑洞的模型，然后我们改变初始条件，并将其与来自中性氢气eBOSS的莱曼-α森林数据进行比较，”伯德说。

“莱曼-α森林”得名于类星体光谱图上紧密排列的吸收线的“森林”，这些吸收线是由中性氢原子能级之间的电子跃迁产生的。“森林”表示巨大的星系际中性氢云的分布、密度和温度。更重要的是，气体的块状表明暗物质的存在，暗物质是一种假想的物质，但通过它对星系的拖曳可以明显看出。

使用 PRIYA 细化宇宙学参数

在2023年9月提交给JCAP的研究中，PRIYA模拟已被用于完善宇宙学参数，该工作由Simeon Bird和他的加州大学河滨分校同事M.A. Fernandez和Ming-Feng Ho撰写。

先前对中微子质量参数的分析与宇宙微波背景辐射（CMB）的数据不一致，CMB被描述为大爆炸的余辉。天文学家使用来自普朗克空间天文台的CMB数据来严格限制中微子的质量。中微子是宇宙中最丰富的粒子，因此确定它们的质量值对于宇宙中大尺度结构的宇宙学模型非常重要。

“我们用比以往任何时候都大得多、设计得更好的模拟进行了新的分析。早期与普朗克CMB数据的差异消失了，取而代之的是另一种张力，类似于其他低红移大规模结构测量中看到的张力，“伯德说。“该研究的主要结果是证实CMB测量和弱透镜之间的σ8张力存在于100亿年前的红移2。

PRIYA研究中一个约束良好的参数是σ8，即8兆秒差距或260万光年的中性氢气结构的数量。这表明漂浮在那里的暗物质团块的数量，“伯德说。

另一个受约束的参数是 ns，即标量光谱指数。它与暗物质的笨拙程度如何随所分析区域的大小而变化有关。它表明宇宙在大爆炸后不久膨胀的速度有多快。

“标量光谱指数设定了宇宙在开始时的行为方式。PRIYA的整个想法是弄清楚宇宙的初始条件，以及宇宙的高能物理学如何表现，“伯德说。

超级计算对宇宙学研究的影响

伯德解释说，PRIYA模拟需要超级计算机，仅仅是因为它们太大了。

“PRIYA模拟的内存要求如此之大，你不能把它们放在超级计算机以外的任何东西上，”Bird说。

TACC授予Bird在Frontera超级计算机上的领导资源分配。此外，还使用加州大学河滨分校高性能计算机集群的资源进行了分析计算。

Frontera上的PRIYA模拟是迄今为止最大的宇宙学模拟之一，需要超过100,000个核心小时来模拟一个由3072^3（约290亿个）粒子组成的系统，该系统位于边缘120兆秒差距的“盒子”中，或直径约为391万光年。PRIYA 模拟在 Frontera 上消耗了超过 600,000 个节点小时。

“Frontera对研究非常重要，因为超级计算机需要足够大，以便我们可以很容易地运行其中一个模拟，而且我们需要运行很多模拟。如果没有像 Frontera 这样的东西，我们将无法解决它们。这并不是说这需要很长时间 – 他们只是他们根本无法运行，“伯德说。

此外，TACC的Ranch系统为PRIYA仿真数据提供了长期存储。

“牧场很重要，因为现在我们可以将 PRIYA 用于其他项目。这可能会使我们的科学影响增加一倍或三倍，“伯德说。

“我们对更多计算能力的需求是永不满足的，”伯德总结道。“我们坐在这个小星球上观察宇宙的大部分，这真是太疯狂了。