Vroege astronomen bestudeerden nauwgezet de subtiele bewegingen van sterren aan de nachtelijke hemel om te proberen te bepalen hoe onze planeet beweegt ten opzichte van andere hemellichamen. Naarmate de technologie is toegenomen, dat geldt ook voor het begrip van hoe het universum werkt en onze relatieve positie daarin.

Wat blijft een mysterie, echter, is een meer gedetailleerd begrip van hoe sterren en planeten zich in de eerste plaats hebben gevormd. Astrofysici en kosmologen begrijpen dat de beweging van materialen door het interstellaire medium (ISM) hielp bij het vormen van planeten en sterren, maar hoe dit complexe mengsel van gas en stof - de brandstof voor stervorming - door het universum beweegt, is nog mysterieuzer.

Om dit mysterie beter te begrijpen, onderzoekers hebben gebruik gemaakt van de kracht van high-performance computing (HPC) om recreaties met hoge resolutie van verschijnselen in de melkweg te ontwikkelen. Net als verschillende aardse uitdagingen in engineering en onderzoek naar vloeistofdynamica, astrofysici zijn gericht op het ontwikkelen van een beter begrip van de rol van turbulentie bij het helpen vormen van ons universum.

In de afgelopen jaren, een samenwerking tussen meerdere instellingen onder leiding van Christoph Federrath, universitair hoofddocent van de Australian National University en Ralf Klessen, professor aan de universiteit van Heidelberg, heeft HPC-bronnen in het Leibniz Supercomputing Center (LRZ) in Garching bij München gebruikt om de invloed van turbulentie op de vorming van sterrenstelsels te bestuderen. Het team heeft onlangs de zogenaamde "sonische schaal" van astrofysische turbulentie onthuld - wat de overgang markeert van supersonische naar subsonische snelheden (sneller of langzamer dan de snelheid van het geluid, respectievelijk) - het creëren van de grootste simulatie ooit van supersonische turbulentie in het proces. Het team publiceerde zijn onderzoek in Natuurastronomie .

Veel schalen in een simulatie

Om turbulentie in hun onderzoek te simuleren, Federrath en zijn medewerkers moesten de complexe vergelijkingen van gasdynamica oplossen die een grote verscheidenheid aan schalen vertegenwoordigen. specifiek, het team moest turbulente dynamiek aan beide zijden van de geluidsschaal in het complex simuleren, gasvormig mengsel dat door de ISM reist. Dit betekende een voldoende grote simulatie om deze grootschalige fenomenen vast te leggen die sneller plaatsvinden dan de snelheid van het geluid, terwijl ook de simulatie langzaam en met voldoende detail wordt voortgezet om de kleinere, langzamere dynamiek die plaatsvindt bij subsonische snelheden.

"Turbulente stromen komen alleen voor op schalen ver weg van de energiebron die op grote schalen rijdt, en ook ver weg van de zogenaamde dissipatie (waarbij de kinetische energie van de turbulentie in warmte verandert) op kleine schaal", zei Federrath. "Voor onze specifieke simulatie, waarin we zowel de supersonische als de subsonische cascade van turbulentie willen oplossen met de sonische toonladder ertussen, dit vereist ten minste vier ordes van grootte in ruimtelijke schalen om te worden opgelost."

Naast schaal, de complexiteit van de simulaties is een andere grote rekenkundige uitdaging. Hoewel turbulentie op aarde een van de laatste grote onopgeloste mysteries van de natuurkunde is, onderzoekers die terrestrische turbulentie bestuderen, hebben één groot voordeel:de meeste van deze vloeistoffen zijn onsamendrukbaar of slechts licht samendrukbaar, wat betekent dat de dichtheid van terrestrische vloeistoffen bijna constant blijft. In de ISM, Hoewel, het gasvormige mengsel van elementen is zeer samendrukbaar, wat betekent dat onderzoekers niet alleen rekening moeten houden met het grote scala aan schalen die turbulentie beïnvloeden, ze moeten ook tijdens de simulatie vergelijkingen oplossen om de dichtheid van de gassen te kennen voordat ze verder gaan.

Het is belangrijk voor Federrath en zijn medewerkers om de invloed te begrijpen die dichtheid nabij de geluidsschaal speelt bij stervorming. omdat moderne theorieën over stervorming suggereren dat de sonische schaal zelf dient als een "Goudlokje-zone" voor stervorming. Astrofysici gebruiken al lang soortgelijke termen om te bespreken hoe de nabijheid van een planeet tot een ster haar vermogen om leven te herbergen bepaalt. maar voor stervorming zelf, de sonische toonladder zorgt voor een evenwicht tussen de krachten van turbulentie en zwaartekracht, de voorwaarden scheppen waardoor sterren zich gemakkelijker kunnen vormen. Schalen die groter zijn dan de sonische schaal hebben de neiging om te veel turbulentie te hebben, wat leidt tot schaarse stervorming, terwijl in kleinere, subsonische regio's, zwaartekracht wint de dag en leidt tot de vorming van gelokaliseerde sterrenhopen.

Om de sonische toonladder en de supersonische en subsonische toonladders aan beide kanten nauwkeurig te simuleren, het team werkte samen met LRZ om de toepassing op te schalen naar meer dan 65, 000 rekenkernen op het SuperMUC HPC-systeem. Omdat er zoveel rekenkernen beschikbaar waren, kon het team een ​​simulatie maken met meer dan 1 biljoen resolutie-elementen, waardoor het de grootste simulatie ooit in zijn soort is.

"Met deze simulatie we waren in staat om de sonische toonladder voor de eerste keer op te lossen, Federrath zei. "We ontdekten dat de locatie dicht bij de theoretische voorspellingen lag, maar met bepaalde aanpassingen zal dat hopelijk leiden tot meer verfijnde stervormingsmodellen en nauwkeurigere voorspellingen van stervormingssnelheden van moleculaire wolken in het universum. De vorming van sterren drijft de evolutie van sterrenstelsels op grote schaal aan en bepaalt de beginvoorwaarden voor planeetvorming op kleine schaal, en turbulentie speelt hierbij een grote rol. We hopen uiteindelijk dat deze simulatie ons begrip van de verschillende soorten turbulentie op aarde en in de ruimte vergroot."

Kosmologische samenwerkingen en computationele vooruitgang

Hoewel het team trots is op zijn recordbrekende simulatie, het richt zijn aandacht al op het toevoegen van meer details in zijn simulaties, wat leidt tot een nog nauwkeuriger beeld van stervorming. Federrath gaf aan dat het team van plan was om de effecten van magnetische velden in de simulatie op te nemen, wat leidt tot een aanzienlijke toename van het geheugen voor een simulatie die al veel geheugen en rekenkracht vereist, evenals meerdere petabytes aan opslagruimte - de huidige simulatie vereist 131 terabytes geheugen en 23 terabytes schijfruimte per snapshot, waarbij de hele simulatie uit meer dan 100 snapshots bestaat.

Sinds hij werkte aan zijn doctoraat aan de Universiteit van Heidelberg, Federrath heeft samengewerkt met medewerkers van LRZ's AstroLab om zijn simulaties te helpen schalen om optimaal te profiteren van moderne HPC-systemen. Het uitvoeren van de grootste simulatie ooit in zijn soort dient als validatie van de verdiensten van deze langdurige samenwerking. Gedurende deze periode, Federrath heeft nauw samengewerkt met Dr. Luigi Iapichino van LRZ, Hoofd van het AstroLab van LRZ, wie was co-auteur van de Natuurastronomie publicatie.

"Ik zie onze missie als de interface tussen de steeds toenemende complexiteit van de HPC-architecturen, wat een last is voor de applicatieontwikkelaars, en de wetenschappers, die niet altijd over de juiste vaardigheden beschikken om HPC-bronnen op de meest effectieve manier te gebruiken, " zei Iapichino. "Vanuit dit gezichtspunt, samenwerken met Christoph was vrij eenvoudig omdat hij zeer bedreven is in het programmeren voor HPC-prestaties. Ik ben blij dat in dit soort samenwerkingen, applicatiespecialisten zijn vaak volwaardige partners van onderzoekers, omdat het de nadruk legt op de sleutelrol die het personeel van de centra speelt in het evoluerende HPC-raamwerk."