超级计算机提供了一套新的莱曼-α森林模拟来说明宇宙的大尺度结构

TACC的Frontera超级计算机帮助天文学家开发了PRIYA，这是迄今为止由宇宙中大型结构组成的最大的流体动力学模拟套件。来自类星体光的Lyman-α森林光谱和来自红移z = 4的模拟的相应气体密度和温度的例子。顶部面板显示高分辨率；底部面板显示低分辨率，中间面板显示莱曼-α森林光谱。信用:uux.cn/DOI: 10.48550/arXiv.2309.03943。

（神秘的地球uux.cn）据奥斯汀德克萨斯大学（乔治·萨拉扎）：像天上的灯塔一样，遥远的类星体发出宇宙中最明亮的光。它们发出的光比我们整个银河系还多。光线来自被超大质量黑洞吞噬时被撕裂的物质。宇宙参数是天文学家用来追踪大爆炸后数十亿年整个宇宙演化的重要数值约束。

类星体的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2000万光年或更大。

利用类星体光数据，德克萨斯高级计算中心(TACC)的Frontera超级计算机帮助天文学家开发了PRIYA，这是迄今为止为模拟宇宙中的大规模结构而制作的最大的流体动力学模拟套件。

“我们已经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西蒙·伯德说。

Bird和他的同事开发了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。他和他的同事在《宇宙学和天体粒子物理学杂志》(JCAP)上发表了他们的工作，宣布PRIYA年10月。

“我们将eBOSS数据与各种模拟模型进行比较，这些模型具有不同的宇宙学参数和不同的宇宙初始条件，例如不同的物质密度，”Bird解释道。“你要找到效果最好的那个，以及在不破坏数据和模拟之间的合理一致的情况下，你能离那个有多远。这些知识告诉我们宇宙中有多少物质，或者说宇宙中有多少结构。”

𝑧 = 2.2时的高保真可视化。20 × 20 Mpc/h管穿过整个120 Mpc/h箱。通过模拟盒的中心绘制视线(高分辨率:金色，低分辨率:蓝色)，并可视化光谱。颜色表示气体的密度，颜色越红表示温度越高。低保真度模拟显示出与高保真度模拟相当好的融合。鸣谢:uux.cn/宇宙学和天体粒子物理学杂志(2023)。DOI:10.1088/1475-7516/2023/2037

PRIYA模拟套件与大规模宇宙学模拟相连，后者也是由Bird共同开发的，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。普丽娅更进一步。它采用ASTRID中发现的星系信息和黑洞形成规则，并改变初始条件。

“有了这些规则，我们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，并将其与莱曼？？？？“森林数据来自埃博斯的中性氢气，”伯德说。

莱曼？？？？“森林”来自类星体光谱图上密集吸收线的“森林”,这是由中性氢原子中能级之间的电子跃迁产生的。“森林”表明了巨大的星系间中性氢云的分布、密度和温度。更重要的是，气体的块状表明了暗物质的存在，这是一种假设的物质，但通过观察它对星系的引力却无法看到。

普里亚的模拟已被用于完善2023年9月提交给JCAP的工作中的宇宙学参数，该工作由Simeon Bird及其加州大学河滨分校的同事M.A. Fernandez和Ming-Feng Ho撰写。

先前对中微子质量参数的分析与来自宇宙微波背景辐射(CMB)的数据不一致，CMB被描述为大爆炸的余辉。天文学家利用来自普朗克太空天文台的CMB数据对中微子的质量进行严格的限制。

中微子是宇宙中最丰富的粒子，因此精确确定它们的质量值对于宇宙大尺度结构的宇宙学模型非常重要。

“我们用比以前规模更大、设计更好的模拟进行了新的分析。与普朗克CMB数据的早期差异消失了，取而代之的是另一种张力，类似于在其他低红移大规模结构测量中看到的情况，”伯德说。“这项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210亿年前的红移中。”

“PRIYA研究中的一个约束良好的参数是σ8，它是800万帕秒或260万光年范围内的中性氢气结构的数量。这表明了漂浮在那里的暗物质团的数量，”伯德说。

另一个受约束的参数是ns，即标量光谱指数。这与暗物质的笨拙如何随着被分析区域的大小而变化有关。它显示了宇宙在大爆炸后瞬间膨胀的速度。

“标量光谱指数从一开始就设定了宇宙的行为方式。PRIYA的整个想法是解决宇宙的初始条件以及宇宙的高能物理如何表现，”Bird说。

伯德解释说，普里亚的模拟需要超级计算机，只是因为它们太大了。

“PRIYA模拟的内存需求是如此之大，你不能把它们放在除了超级计算机之外的任何东西上，”Bird说。

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30723个(约290亿)粒子组成的系统，该系统位于边缘的一个120兆帕秒的“盒子”中，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对这项研究非常重要，因为超级计算机需要足够大，我们可以相当容易地运行其中一个模拟，我们需要运行许多模拟。没有弗龙特拉这样的东西，我们就无法解决它们。这并不是说要花很长时间——他们只是根本跑不起来，”伯德说。

此外，TACC的Ranch系统为PRIYA模拟数据提供了长期存储。

“牧场很重要，因为现在我们可以把PRIYA重新用于其他项目。这将使我们的科学影响力增加一倍或两倍，”伯德说。"

“我们对更多计算能力的渴望是无法满足的，”伯德总结道。“我们坐在这个小星球上观察宇宙的大部分，这太疯狂了。”