Als astronomen in het heelal kijken, wat ze zien, overschrijdt vaak de grenzen van het menselijk begrip. Dat is het geval met sterrenstelsels met een lage massa - sterrenstelsels die een fractie zijn van de grootte van onze eigen Melkweg.

Deze kleine, zwakke systemen die bestaan ​​uit miljoenen of miljarden sterren, stof, en gas vormen het meest voorkomende type melkwegstelsel dat in het universum wordt waargenomen. Maar volgens de meest geavanceerde modellen van astrofysici, sterrenstelsels met een lage massa zouden veel meer sterren moeten bevatten dan ze lijken te bevatten.

Een leidende theorie voor deze discrepantie hangt af van de fonteinachtige uitstroom van gas die waargenomen is bij het verlaten van sommige sterrenstelsels. Deze uitstromen worden aangedreven door het leven en de dood van sterren, in het bijzonder stellaire winden en supernova-explosies, die gezamenlijk aanleiding geven tot een fenomeen dat bekend staat als 'galactische wind'. Terwijl steractiviteit gas in de intergalactische ruimte verdrijft, sterrenstelsels verliezen kostbare grondstoffen om nieuwe sterren te maken. De fysica en krachten die tijdens dit proces in het spel zijn, echter, blijft een mysterie.

Om beter te begrijpen hoe galactische wind de stervorming in sterrenstelsels beïnvloedt, een team van twee personen onder leiding van de Universiteit van Californië, Santa Cruz, wendde zich tot high-performance computing bij de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), een US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van DOE. specifiek, UC Santa Cruz-astrofysicus Brant Robertson en afgestudeerde student Evan Schneider van de Universiteit van Arizona (nu Hubble Fellow aan Princeton University), hebben hun Cholla-hydrodynamica-code opgeschaald op de Cray XK7 Titan-supercomputer van de OLCF om zeer gedetailleerde simulaties van galactische wind te maken.

"Het proces van het genereren van galactische winden is iets dat een voortreffelijke resolutie over een groot volume vereist om te begrijpen - veel betere resolutie dan andere kosmologische simulaties die populaties van sterrenstelsels modelleren, "Zei Robertson. "Dit is iets waar je echt een machine als Titan voor nodig hebt."

Na het verdienen van een toewijzing op Titan via het INCITE-programma van DOE, Robertson en Schneider begonnen klein, simuleren van een hete, supernova-aangedreven wind botst met een koele wolk van gas over 300 lichtjaar ruimte. (Een lichtjaar is gelijk aan de afstand die het licht in 1 jaar aflegt.) Dankzij de resultaten kon het team een ​​mogelijk mechanisme voor galactische wind uitsluiten.

Nu zet het team de lat hoger, gericht op het genereren van bijna een biljoen-celsimulatie van een hele melkweg, wat de grootste simulatie van een sterrenstelsel ooit zou zijn. Naast het breken van records, Robertson en Schneider streven ernaar nieuwe details te ontdekken over galactische wind en de krachten die sterrenstelsels reguleren, inzichten die ons begrip van sterrenstelsels met een lage massa zouden kunnen verbeteren, donkere materie, en de evolutie van het universum.

Koude wolken simuleren

Op ongeveer 12 miljoen lichtjaar van de aarde bevindt zich een van de naaste buren van de Melkweg, een schijfstelsel genaamd Messier 82 (M82). Kleiner dan de Melkweg, De sigaarvorm van de M82 onderstreept een vluchtige persoonlijkheid. De melkweg produceert ongeveer vijf keer sneller nieuwe sterren dan de sterproductie van ons eigen melkwegstelsel. Deze razernij van het maken van sterren geeft aanleiding tot galactische wind die meer gas naar buiten duwt dan het systeem binnenhoudt, vooraanstaande astronomen schatten dat M 82 over slechts 8 miljoen jaar zonder brandstof zal zijn.

Analyse van beelden van NASA's Hubble-ruimtetelescoop, wetenschappers kunnen deze zich langzaam ontwikkelende uittocht van gas en stof observeren. Gegevens verzameld uit dergelijke waarnemingen kunnen Robertson en Schneider helpen te meten of ze op de goede weg zijn bij het simuleren van galactische wind.

"Met sterrenstelsels zoals M 82, je ziet veel koud materiaal in een grote straal dat heel snel naar buiten stroomt. Wij wilden zien, als je een realistische wolk van koud gas neemt en er met een hete, snelstromend, supernova-gedreven uitstroom, als je dat koude materiaal zou kunnen versnellen tot snelheden zoals waargenomen, ' zei Robertson.

Answering this question in high resolution required an efficient code that could solve the problem based on well-known physics, such as the motion of liquids. Robertson and Schneider developed Cholla to carry out hydrodynamics calculations entirely on GPUs, highly parallelized accelerators that excel at simple number crunching, thus achieving high-resolution results.

In Titan, a 27-petaflop system containing more than 18, 000 GPU's, Cholla found its match. After testing the code on a GPU cluster at the University of Arizona, Robertson and Schneider benchmarked Cholla under two small OLCF Director's Discretionary awards before letting the code loose under INCITE. In test runs, the code has maintained scaling across more than 16, 000 GPUs.

"We can use all of Titan, " Robertson said, "which is kind of amazing because the vast majority of the power of that system is in GPUs."

The pairing of code and computer gave Robertson and Schneider the tools needed to produce high-fidelity simulations of gas clouds measuring more than 15 light years in diameter. Verder, the team can zoom in on parts of the simulation to study phases and properties of galactic wind in isolation. This capability helped the team to rule out a theory that posited cold clouds close to the galaxy's center could be pushed out by fast-moving, hot wind from supernovas.

"The answer is it isn't possible, " Robertson said. "The hot wind actually shreds the clouds and the clouds become sheared and very narrow. They're like little ribbons that are very difficult to push on."

Galactic goals

Having proven Cholla's computing chops, Robertson and Schneider are now planning a full-galaxy simulation about 10 to 20 times larger than their previous effort. Expanding the size of the simulation will allow the team to test an alternate theory for the emergence of galactic wind in disk galaxies like M82. The theory suggests that clouds of cold gas condense out of the hot outflow as they expand and cool.

"That's something that's been posited in analytical models but not tested in simulation, " Robertson said. "You have to model the whole galaxy to capture this process because the dynamics of the outflows are such that you need a global simulation of the disk."

The full-galaxy simulation will likely be composed of hundreds of billions of cells representing more than 30, 000 light years of space. To cover this expanse, the team must sacrifice resolution. It can rely on its detailed gas cloud simulations, echter, to bridge scales and inform unresolved physics within the larger simulation.

"That's what's interesting about doing these simulations at widely different scales, " Robertson said. "We can calibrate after the fact to inform ourselves in how we might be getting the story wrong with the coarser, larger simulation."