Los agujeros negros son un gran misterio espacial. Son tan enormes que nada ni siquiera luz, puede escapar de un agujero negro una vez que se acerca lo suficiente. Un gran misterio para los científicos es que hay evidencia de poderosos chorros de electrones y protones que salen disparados por la parte superior e inferior de algunos agujeros negros. Sin embargo, nadie sabe cómo se forman estos chorros.

El código de computadora llamado Cosmos ahora alimenta las simulaciones de supercomputadoras de chorros de agujeros negros y está comenzando a revelar los misterios de los agujeros negros y otras rarezas espaciales.

"Cosmos, la raíz del nombre, provino del hecho de que el código fue diseñado originalmente para hacer cosmología. Se ha transformado en una amplia gama de astrofísica, "explicó Chris Fragile, profesor del Departamento de Física y Astronomía del College of Charleston. Fragile ayudó a desarrollar el código Cosmos en 2005 mientras trabajaba como investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), junto con Steven Murray (LLNL) y Peter Anninos (LLNL).

Fragile señaló que Cosmos ofrece a los astrofísicos una ventaja porque se ha mantenido a la vanguardia de la magnetohidrodinámica relativista general (MHD). Simulaciones MHD, el magnetismo de los fluidos conductores de electricidad, como los chorros de agujeros negros, agregan una capa de comprensión, pero son notoriamente difíciles incluso para las supercomputadoras más rápidas.

"La otra área en la que Cosmos siempre ha tenido alguna ventaja es que tiene muchos paquetes de física, "continuó Fragile". Esta fue la motivación inicial de Peter Anninos, en el sentido de que quería una herramienta computacional donde pudiera poner todo en lo que había trabajado a lo largo de los años ". Fragile enumeró algunos de los paquetes que incluyen química, quema nuclear, Gravedad newtoniana, gravedad relativista, e incluso radiación y enfriamiento radiativo. "Es una combinación bastante única, "Fragile dijo.

La iteración actual del código es CosmosDG, que utiliza métodos discontinuos de Gelarkin. "Toma el dominio físico que desea simular, "explicó Fragile, "y lo divides en un montón de diminutas células computacionales, o zonas. Básicamente, estás resolviendo las ecuaciones de la dinámica de fluidos en cada una de esas zonas ". CosmosDG ha permitido un orden de precisión mucho más alto que nunca, según los resultados publicados en el Diario astrofísico , Agosto de 2017.

"Pudimos demostrar que logramos muchas órdenes de magnitud de soluciones más precisas en ese mismo número de zonas computacionales, "declaró Fragile." Entonces, particularmente en escenarios donde necesita soluciones muy precisas, CosmosDG puede ser una forma de conseguirlo con menos gastos computacionales de los que hubiéramos tenido que utilizar con métodos anteriores ".

XSEDE ECSS ayuda a que Cosmos se desarrolle

Desde 2008, El Centro de Computación Avanzada de Texas (TACC) ha proporcionado recursos computacionales para el desarrollo del código Cosmos:alrededor de 6.5 millones de horas centrales de supercomputadora en el sistema Ranger y 3.6 millones de horas centrales en el sistema Stampede. XSEDE, el eXtreme Science and Engineering Discovery Environment financiado por la National Science Foundation, premió al grupo de Fragile con la asignación.

"No puedo elogiar lo suficiente lo significativos que son los recursos XSEDE, "Fragile dijo." La ciencia que hago no sería posible sin recursos como ese. Esa es una escala de recursos que ciertamente una institución pequeña como la mía nunca podría respaldar. El hecho de que tengamos estos recursos a nivel nacional permite una gran cantidad de ciencia que simplemente no se haría de otra manera ".

Y el hecho es que los científicos ocupados a veces pueden ayudar con su código. Además del acceso, XSEDE también proporciona un grupo de expertos a través del esfuerzo de Extended Collaborative Support Services (ECSS) para ayudar a los investigadores a aprovechar al máximo algunas de las supercomputadoras más poderosas del mundo.

Fragile ha solicitado recientemente la ayuda de XSEDE ECSS para optimizar el código CosmosDG para Stampede2, una supercomputadora capaz de 18 petaflops y el buque insignia de TACC en la Universidad de Texas en Austin. Stampede2 cuenta con 4, 200 nodos de Knights Landing (KNL) y 1, 736 nodos Intel Xeon Skylake.

Aprovechando Knights Landing y Stampede2

La arquitectura de muchos núcleos de KNL presenta nuevos desafíos para los investigadores que intentan obtener el mejor rendimiento informático, según Damon McDougall, investigador asociado en TACC y también en el Instituto de Ingeniería y Ciencias Computacionales, UT Austin. Cada nodo KNL de Stampede2 tiene 68 núcleos, con cuatro subprocesos de hardware por núcleo. Son muchas piezas móviles para coordinar.

"Este es un chip de computadora que tiene muchos núcleos en comparación con algunos de los otros chips con los que uno podría haber interactuado en otros sistemas, McDougall explicó:"Se debe prestar más atención al diseño de software para que se ejecute eficazmente en ese tipo de chips".

A través de ECSS, McDougall ha ayudado a Fragile a optimizar CosmosDG para Stampede2. "Promovemos un cierto tipo de paralelismo, llamado paralelismo híbrido, donde puede mezclar protocolos de interfaz de paso de mensajes (MPI), que es una forma de pasar mensajes entre nodos informáticos, y OpenMP, que es una forma de comunicarse en un solo nodo informático, "Dijo McDougall." Mezclar esos dos paradigmas paralelos es algo que alentamos para este tipo de arquitecturas. Ese es el tipo de consejo que podemos ayudar a dar y ayudar a los científicos a implementar en Stampede2 a través del programa ECSS ".

"Al reducir la cantidad de comunicación que necesita hacer, "Fragile dijo, "Esa es una de las ideas de dónde vendrán las ganancias en Stampede2. Pero significa un poco de trabajo para los códigos heredados como el nuestro que no fueron creados para usar OpenMP. Tenemos que actualizar nuestro código para incluir algunos Llamadas OpenMP. Esa es una de las cosas que Damon nos ha estado ayudando a hacer esta transición de la manera más fluida posible ".

McDougall describió el trabajo de ECSS hasta ahora con CosmosDG como "muy incipiente y en curso, "con mucho trabajo inicial investigando la asignación de memoria 'puntos calientes' donde el código se ralentiza.

"Una de las cosas en las que Damon McDougall ha sido realmente útil es ayudarnos a hacer los códigos más eficientes y ayudarnos a usar los recursos XSEDE de manera más eficiente para que podamos hacer aún más ciencia con el nivel de recursos que se nos proporciona. "Frágil agregó.

Oscilación del agujero negro

Parte de la ciencia que Fragile y sus colegas ya han hecho con la ayuda del código Cosmos ha ayudado a estudiar la acreción, la caída de los gases moleculares, y desechos espaciales en un agujero negro. La acreción de agujeros negros alimenta sus chorros. "Una de las cosas por las que creo que soy más famoso es estudiar los discos de acreción donde el disco está inclinado, "explicó Fragile.

Los agujeros negros giran. Y también lo hace el disco de gases y escombros que lo rodea y cae. Sin embargo, giran en diferentes ejes de rotación. "We were the first people to study cases where the axis of rotation of the disk is not aligned with the axis of rotation of the black hole, " Fragile said. General relativity shows that rotating bodies can exert a torque on other rotating bodies that aren't aligned with it.

Fragile's simulations showed the black hole wobbles, a movement called precession, from the torque of the spinning accretion disk. "The really interesting thing is that over the last five years or so, observers—the people who actually use telescopes to study black hole systems—have seen evidence that the disks might actually be doing this precession that we first showed in our simulations, " Fragile said.

Fragile and colleagues use the Cosmos code to study other space oddities such as tidal disruption events, which happen when a molecular cloud or star passes close enough that a black hole shreds it. Other examples include Minkowski's Object, where Cosmos simulations support observations that a black hole jet collides with a molecular cloud to trigger star formation.

Golden Age of Astronomy and Computing

"We're living in a golden age of astronomy, " Fragile said, referring to the wealth of knowledge generated from space telescopes like Hubble to the upcoming James Webb Space Telescope, to land-based telescopes such as Keck, y más.

Computing has helped support the success of astronomy, Fragile said. "What we do in modern-day astronomy couldn't be done without computers, " he concluded. "The simulations that I do are two-fold. They're to help us better understand the complex physics behind astrophysical phenomena. But they're also to help us interpret and predict observations that either have been, can be, or will be made in astronomy."