Urania: Muse der (Gravitationswellen-) Astronomie

Neuer energieeffizienter Hochleistungs-Rechencluster für das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam

Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam hat den neuen Supercomputer „Urania“ in Betrieb genommen. Mit 6.048 Rechenkernen und 22 TeraByte Speicher ist Urania genauso leistungsfähig wie sein Vorgänger, benötigt aber zum Betrieb nur halb so viel Strom. Die Wissenschaftler:innen der Abteilung Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie können nun Gravitationswellenformen von verschmelzenden schwarzen Löchern für immer komplexere Situationen berechnen.

Der neue Supercomputer befindet sich in der Max Planck Computing and Data Facility in Garching und ersetzt den bisherigen Minerva-Cluster der Abteilung. Urania wird für genaue Untersuchungen von Doppelsystemen schwarzer Löcher und den von ihnen ausgesandten Gravitationswellen genutzt werden. Die Wissenschaftler:innen interessieren sich insbesondere für Paare von schwarzen Löchern, die sich entweder auf elliptischen Bahnen umkreisen oder aneinander vorbeifliegen, wobei ihre Bahnen durch die gegenseitige Anziehung abgelenkt werden. Ein zweiter Forschungsschwerpunkt liegt auf Simulationen von Doppelsystemen schwarzer Löcher, bei denen eines der schwarzen Löcher sehr viel kleiner ist als das andere. Ein wesentliches wissenschaftliches Ziel ist die Berechnung des in diesen Prozessen abgestrahlten Gravitationswellenspektrums.

Detaillierte Kenntnisse der zu erwartenden Signale sind für die Suche und Analyse der Daten aktueller und künftiger Gravitationswellen-Detektoren wie LIGO, Virgo und KAGRA sowie des Einstein-Teleskops und des Cosmic Explorers wie auch der Weltraummission LISA unerlässlich. Die neuen Simulationen von Doppelsystemen schwarzer Löcher werden daher auch von den Wissenschaftler:innen der Abteilung genutzt, um immer genauere Wellenformmodelle zu entwickeln.

Empfindlichere Detektoren erfordern detailliertere Wellenformvorlagen

„Wenn wir für alle möglichen Situationen immer genauere Wellenformen berechnen wollen, müssen wir mehr physikalisch interessante Parameter einbeziehen“, sagt Alessandra Buonanno, Direktorin der Abteilung Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie. „Wir haben bereits eine neue Generation von Wellenformmodellen entwickelt, um die Signale und ihre Quellen in den Daten der aktuellen Detektoren zu identifizieren. Mit Urania können wir noch anspruchsvollere Doppelsysteme berücksichtigen – und das bei einem wesentlich geringeren Energieverbrauch.“

Überprüfung alternativer Gravitationstheorien

„Der neue Cluster wird darüber hinaus Computerberechnungen von schwarzen Löchern in Gravitationstheorien ermöglichen, die sich von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie unterscheiden“, erläutert Harald Pfeiffer, Gruppenleiter in der Abteilung Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie. „Solche Vorhersagen werden es erlauben, zu quantifizieren, welche andere Gravitationstheorie mit den Gravitationswellenmessungen übereinstimmt, und ob eine solche mögliche alternative Theorie vielleicht sogar besser ist als Einsteins Theorie.“

Technische Daten von Urania

Urania läuft auf einem Linux-Betriebssystem und hat die folgenden Spezifikationen:

• 84 Rechenknoten, jeder mit 2x 36 Core Intel Xeon Platinum 8360Y Prozessoren und 256 GB RAM
• Infiniband-Verbindung
• 1.1PT paralleles Dateisystem

Urania bietet insgesamt 6.048 Rechenkerne und 22 TB RAM.

Die Abteilung Astrophysikalische und Kosmologische Relativitätstheorie betreibt auch den Rechencluster Hypatia mit etwa 8400 CPU-Kernen. Hypatia dient der Datenanalyse sowie der astrophysikalischen, kosmologischen und grundlegenden physikalischen Untersuchung von Gravitationswellen.