受到《星際迷航》中羅慕蘭太空飛行科幻小說的啟發，天體物理學家使用XSEDE分配的超級計算機，開發了名為RomulusC的宇宙學計算機模擬，其中「C」代表星系團。由於專注於黑洞物理，RomulusC製作了一些有史以來解析度最高的星系團模擬，這些星系團可以包含數百個甚至數千個星系。在《星際迷航》中，羅慕蘭人用人造黑洞為宇宙飛船提供動力。
而在現實中，事實證明黑洞可以驅動恆星的形成和整個星系的演化，這項星系團模擬工作，正在幫助科學家繪製未知宇宙的地圖。此前一項研究得出了RomulusC模擬的結果，該結果發表在英國《皇家天文學會月刊》上。探測了星系團內和星系團內介質周圍主要由氫和氦組成的電離氣體，這些氣體填充了星系團中星系之間的空間。超過一百萬開爾文的熱而稠密氣體填充了內部星系團，金屬豐度大致均勻。
在100.01億開爾文之間的冷熱氣體潛伏在邊緣的零星分布中，金屬種類更多。冷熱氣體看起來像水母的尾巴，跟蹤了星系落入星系團並失去氣體的過程。氣體從墜落的星系中剝離出來，最終與星系團的內部區域混合。該研究的合著者、華盛頓大學天文學系博士生伊琳娜·布茨基(Iryna Butsky)說：研究發現星系團中存在大量這種冷熱氣體，與熱氣相比，這種冷溫氣體的痕跡結構截然不同，互為補充。
同時還預測，現在可以用哈勃太空望遠鏡宇宙起源光譜儀等現有儀器觀察到這種冷溫成分。科學家們剛剛開始探測星系團內的介質，這種介質擴散得如此之快，以至於它的排放，在任何現有的望遠鏡中都看不見。科學家們正在使用RomulusC來幫助間接觀察星團，利用類星體的紫外線(UV)光，類星體作用就像燈塔一樣照耀著氣體。這種氣體吸收紫外光，當用哈勃太空望遠鏡上的宇宙起源光譜儀等儀器進行分析時，產生的光譜產生了密度、溫度和金屬豐度分布。
關於模擬，有一件很酷的事，那就是研究人員知道模擬盒子裡到處都在發生什麼，可以進行一些合成觀測，並將它們與在吸收光譜中實際看到的進行比較，然後將這些點連接起來，將觀察到的光譜進行匹配，並試圖了解這個模擬盒子裡到底發生了什麼。同時還應用了加州理工大學卡梅隆·胡梅爾斯和同事開發名為「三叉戟」的軟體工具，該工具獲取合成吸收線譜，並添加了一些關於HST的噪聲和儀器怪癖。
最終結果是一個看起來非常真實的光譜，可以直接與現有的觀測結果進行比較。但是，對於觀測，不能做的是從一維光譜重建三維信息，這就是彌合觀測和模擬之間差距的原因。最新科學支持RomulusC模擬背後的一個關鍵假設是：構成星系團內介質的氣體至少部分來自星系本身。研究的合著者、華盛頓大學天文學教授湯姆·奎因說：我們必須建立模型，說明氣體是如何從星系中流出的，這是通過超新星爆炸和來自年輕恆星的超新星來實現的，這意味著要應對的動態範圍超過10億。
更重要的是，星團不是孤立形成的，所以必須考慮它們的環境。還有一個計算挑戰，這是超級計算機集群所特有的，大多數計算活動都發生在集群的最中心。儘管模擬的體積要大得多，但大部分計算都是在一個特定區域進行。當你試圖在一台擁有數萬個內核的大型超級計算機上模擬這一點時，如何將計算分布在這些核心之間，這是一個挑戰。然而湯姆·奎因對計算挑戰並不陌生，自1995年以來，他一直在使用由國家科學基金會(NSF)資助的XSEDE的資源。
RomulusC在德克薩斯高級計算中心(TACC)的Stamecid2系統上作為一個概念驗證和友好的用戶時間開始。研究還得到了TACC工作人員的幫助，幫助在多核、每個晶片68個核的機器上啟動和運行代碼。最終將RomulusC擴展到32000個處理器，並在國家超級計算應用中心的Blue Waters系統上完成了模擬。一路上，它還在聖地亞哥大學一個有組織的研究單位聖地亞哥超級計算機中心使用了NASA昂宿星超級計算機和XSEDE分配的彗星系統。
彗星系統填補了一個特殊的領域，它有大量可用的存儲節點。分析的特定方面，例如識別星系，在分布式存儲機器上不容易完成。擁有大型共享內存機是非常有益的。從某種意義上說，我們不必完全並行化分析的那個特定方面，擁有大數據機器才是最重要的。如果沒有XSEDE，不可能做這個模擬，這本質上是一種能力模擬，研究不僅需要實際進行模擬的能力，也需要分析機的能力。下一代模擬將使用美國國家科學基金會資助的Frontera系統進行。
該系統是最快的學術超級計算機，目前在世界上最快的超級計算機中排名第五。現在在Frontera上，研究人員正在對單個星系進行更高解析度的運行。自從開始這些模擬以來，研究人員一直致力於證明是如何模擬恆星形成的。當然有更強的計算能力，所以再一次提高質量解析度，對單個星系的模擬更逼真，更多更大的星系團也會很好。研究人員表示，使用超級計算機對宇宙建模的真正酷之處在於，它能在進行實驗方面發揮獨特的作用。
在許多其他科學中，你可以有一個實驗室，可以在那裡檢驗你的理論。但在天文學中，你可以提出紙筆理論，觀察宇宙的本來面目。但如果沒有模擬，很難進行這些測試，因為很難再現空間中的一些極端現象，比如時間尺度和獲得一些極端天體的溫度和密度，要想在理論工作上取得進展，模擬是極其重要的。RomulusC的宇宙學星系團等模擬的研究成功，現已發表在《皇家天文學會月刊》上。
博科園｜研究/來自：德克薩斯高級計算中心
參考期刊《皇家天文學會月刊》
DOI: 10.1093/mnras/stz2859
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