Door de sterren en hun oorsprong te begrijpen, we leren meer over waar we vandaan komen. Echter, de uitgestrektheid van de melkweg - laat staan ​​het hele universum - betekent dat experimenten om de oorsprong ervan te begrijpen duur zijn, moeilijk en tijdrovend. In feite, experimenten zijn onmogelijk om bepaalde aspecten van astrofysica te bestuderen, wat betekent dat om meer inzicht te krijgen in hoe sterrenstelsels zijn gevormd, onderzoekers vertrouwen op supercomputing.

In een poging om een ​​vollediger beeld te krijgen van de vorming van sterrenstelsels, onderzoekers van het Heidelberg Instituut voor Theoretische Studies, de Max-Planck-instituten voor astrofysica en astronomie, het Massachusetts Institute of Technology, Harvard universiteit, en het Center for Computational Astrophysics in New York hebben zich tot supercomputerbronnen gewend in het High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS), een van de drie Duitse supercomputingfaciliteiten van wereldklasse die het Gauss Center for Supercomputing (GCS) vormen. De resulterende simulatie zal helpen om bestaande experimentele kennis over de vroege stadia van het universum te verifiëren en uit te breiden.

Onlangs, het team breidde zijn 2015 recordbrekende "Illustris" -simulatie uit - de grootste hydrologische simulatie van de vorming van sterrenstelsels ooit. Met hydrodynamische simulaties kunnen onderzoekers de beweging van gas nauwkeurig simuleren. Sterren ontstaan ​​uit kosmisch gas, en sterrenlicht verschaft astrofysici en kosmologen belangrijke informatie om te begrijpen hoe het universum werkt.

De onderzoekers verbeterden de reikwijdte en nauwkeurigheid van hun simulatie, deze fase van het project Illustris:The Next Generation (IllustrisTNG) noemen. Het team publiceerde zijn eerste ronde van bevindingen in drie tijdschriftartikelen die verschenen in de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society en zijn er nog een aantal aan het voorbereiden voor publicatie.

Magnetische modellering

Net zoals de mensheid zich niet precies kan voorstellen hoe het universum is ontstaan, een computersimulatie kan de geboorte van het universum niet in letterlijke zin nabootsen. In plaats daarvan, onderzoekers voeren vergelijkingen en andere startvoorwaarden - waarnemingen van satellietarrays en andere bronnen - in een gigantische rekenkubus die een groot deel van het universum vertegenwoordigt en gebruiken vervolgens numerieke methoden om dit 'universum in een doos' in gang te zetten.

Voor veel aspecten van de simulatie, onderzoekers kunnen hun berekeningen beginnen op een fundamentele, of ab initio, niveau zonder dat er vooropgezette invoergegevens nodig zijn, maar processen die minder worden begrepen, zoals stervorming en de groei van superzware zwarte gaten, moeten worden geïnformeerd door observatie en door aannames te doen die de stortvloed aan berekeningen kunnen vereenvoudigen.

Naarmate de rekenkracht en knowhow zijn toegenomen, dus, te, heeft het vermogen om grotere gebieden van de ruimte te simuleren en steeds ingewikkelder en complexere fenomenen die verband houden met de vorming van sterrenstelsels. Met IllustrisTNG, het team simuleerde drie "plakjes" van het universum met verschillende resoluties. De grootste was 300 megaparsec breed, of ongeveer 1 miljard lichtjaar. Het team gebruikte 24, 000 kernen op Hazel Hen over een periode van 35 miljoen kernuren.

In een van de belangrijkste ontwikkelingen van IllustrisTNG, de onderzoekers herwerkten de simulatie om een ​​nauwkeurigere boekhouding voor magnetische velden op te nemen, het verbeteren van de nauwkeurigheid van de simulatie. "Magnetische velden zijn om verschillende redenen interessant, " zei prof. dr. Volker Springel, professor en onderzoeker aan het Heidelberg Instituut voor Theoretische Studies en hoofdonderzoeker van het project. "De magnetische druk die wordt uitgeoefend op kosmisch gas kan af en toe gelijk zijn aan thermische (temperatuur) druk, wat betekent dat als je dit verwaarloost, je zult deze effecten missen en uiteindelijk je resultaten in gevaar brengen."

Tijdens de ontwikkeling van IllustrisTNG maakte het team ook een verrassende vooruitgang in het begrijpen van de fysica van zwarte gaten. Op basis van waarnemingskennis, de onderzoekers wisten dat superzware zwarte gaten kosmische gassen met veel energie voortstuwen, terwijl ze dit gas ook wegblazen van clusters van sterrenstelsels. Dit helpt de stervorming in de grootste sterrenstelsels "af te sluiten" en legt zo een limiet op aan de maximale grootte die ze kunnen bereiken.

In de vorige Illustris-simulatie, de onderzoekers merkten dat terwijl zwarte gaten dit proces van energieoverdracht doorlopen, ze zouden de stervorming niet volledig afsluiten. Door de fysica van de zwarte gaten in de simulatie te herzien, het team zag een veel betere overeenkomst tussen de gegevens en de waarneming, onderzoekers meer vertrouwen geven dat hun simulatie overeenkomt met de werkelijkheid.

Een langdurige alliantie

Het team gebruikt sinds 2015 GCS-bronnen en voert sinds maart 2016 de IllustrisTNG-simulatie uit op HLRS-bronnen. Aangezien de dataset van IllustrisTNG zowel groter als nauwkeuriger is dan het origineel, de onderzoekers zijn ervan overtuigd dat hun gegevens op grote schaal zullen worden gebruikt, terwijl ze meer tijd vragen om de simulatie verder te verfijnen. De originele Illustris-gegevensrelease oogstte 2, 000 geregistreerde gebruikers en resulteerde in meer dan 130 publicaties.

Gedurende die tijd, de onderzoekers vertrouwden op het ondersteunend personeel van GCS om te helpen met verschillende problemen op laag niveau met betrekking tot hun code, specifiek gerelateerd aan geheugencrashes en problemen met het bestandssysteem. Teamleden Drs. Dylan Nelson en Rainer Weinberger hebben ook allebei geprofiteerd van het bijwonen van workshops op machineniveau in 2016 en 2017 bij HLRS. De langdurige samenwerking van het team met HLRS heeft geresulteerd in het winnen van 2016 en 2017 Golden Spike awards, die worden gegeven aan uitstekende gebruikersprojecten tijdens de jaarlijkse resultaten- en beoordelingsworkshop van HLRS.

Nelson wees erop dat, hoewel de huidige generatie supercomputers simulaties mogelijk hebben gemaakt die de meeste fundamentele problemen met betrekking tot grootschalige kosmologische modellering grotendeels hebben overwonnen, er zijn nog mogelijkheden voor verbetering.

"Door meer geheugen en verwerkingsbronnen in systemen van de volgende generatie kunnen we grote volumes van het universum met een hogere resolutie simuleren, Nelson zei. "Grote volumes zijn belangrijk voor de kosmologie, de grootschalige structuur van het universum begrijpen, en het maken van stevige voorspellingen voor de volgende generatie grote observatieprojecten. Hoge resolutie is belangrijk voor het verbeteren van onze fysieke modellen van de processen die plaatsvinden in individuele sterrenstelsels in onze simulatie."