Cuando los astrónomos observan el universo, lo que ven a menudo excede los límites del entendimiento humano. Tal es el caso de las galaxias de baja masa, galaxias de una fracción del tamaño de nuestra propia Vía Láctea.

Estos pequeños sistemas débiles compuestos por millones o miles de millones de estrellas, polvo, y el gas constituyen el tipo de galaxia más común observado en el universo. Pero según los modelos más avanzados de los astrofísicos, Las galaxias de baja masa deberían contener muchas más estrellas de las que parecen contener.

Una de las principales teorías de esta discrepancia depende de las salidas de gas en forma de fuente observadas que salen de algunas galaxias. Estas salidas son impulsadas por la vida y la muerte de las estrellas, específicamente vientos estelares y explosiones de supernovas, que colectivamente dan lugar a un fenómeno conocido como "viento galáctico". A medida que la actividad de las estrellas expulsa gas al espacio intergaláctico, las galaxias pierden materia prima preciosa para formar nuevas estrellas. La física y las fuerzas en juego durante este proceso, sin embargo, siguen siendo un misterio.

Para comprender mejor cómo el viento galáctico afecta la formación de estrellas en las galaxias, un equipo de dos personas dirigido por la Universidad de California, Santa Cruz, recurrió a la informática de alto rendimiento en Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), una instalación para usuarios de la Oficina de ciencias científicas del Departamento de Energía de EE. UU. ubicada en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE (ORNL). Específicamente, El astrofísico de UC Santa Cruz Brant Robertson y el estudiante graduado de la Universidad de Arizona Evan Schneider (ahora miembro del Hubble en la Universidad de Princeton), amplió su código de hidrodinámica Cholla en la supercomputadora Cray XK7 Titan del OLCF para crear simulaciones muy detalladas del viento galáctico.

"El proceso de generación de vientos galácticos es algo que requiere una resolución exquisita en un gran volumen para comprender, una resolución mucho mejor que otras simulaciones cosmológicas que modelan poblaciones de galaxias, ", Dijo Robertson." Esto es algo que realmente necesitas que haga una máquina como Titán ".

Después de obtener una asignación en Titan a través del programa INCITE del DOE, Robertson y Schneider comenzaron pequeños, simulando un calor, el viento impulsado por una supernova chocando con una fría nube de gas a través de 300 años luz de espacio. (Un año luz equivale a la distancia que recorre la luz en 1 año). Los resultados permitieron al equipo descartar un mecanismo potencial para el viento galáctico.

Ahora el equipo está apuntando más alto, con el objetivo de generar una simulación de casi un billón de células de una galaxia completa, que sería la simulación más grande de una galaxia jamás realizada. Más allá de batir récords, Robertson y Schneider se esfuerzan por descubrir nuevos detalles sobre el viento galáctico y las fuerzas que regulan las galaxias. conocimientos que podrían mejorar nuestra comprensión de las galaxias de baja masa, materia oscura, y la evolución del universo.

Simulando nubes frías

A unos 12 millones de años luz de la Tierra reside uno de los vecinos más cercanos de la Vía Láctea, una galaxia de disco llamada Messier 82 (M82). Más pequeño que la Vía Láctea, La forma de cigarro del M82 subraya una personalidad volátil. La galaxia produce nuevas estrellas aproximadamente cinco veces más rápido que la tasa de producción de estrellas de nuestra propia galaxia. Este frenesí de creación de estrellas da lugar a un viento galáctico que expulsa más gas del que el sistema mantiene, lo que lleva a los astrónomos a estimar que M82 se quedará sin combustible en solo 8 millones de años.

Analizando imágenes del telescopio espacial Hubble de la NASA, los científicos pueden observar este éxodo de gas y polvo de lento desarrollo. Los datos recopilados a partir de tales observaciones pueden ayudar a Robertson y Schneider a evaluar si están en el camino correcto al simular el viento galáctico.

"Con galaxias como M82, ve una gran cantidad de material frío en un gran radio que fluye muy rápido. Queríamos ver si tomas una nube realista de gas frío y la golpeas con un gas caliente, de flujo rápido flujo de salida impulsado por supernova, si pudiera acelerar ese material frío a velocidades como las que se observan, "Dijo Robertson.

Responder a esta pregunta en alta resolución requería un código eficiente que pudiera resolver el problema basándose en física conocida, como el movimiento de los líquidos. Robertson y Schneider desarrollaron Cholla para realizar cálculos hidrodinámicos completamente en GPU, aceleradores altamente paralelizados que sobresalen en el procesamiento simple de números, logrando así resultados de alta resolución.

En Titán, un sistema de 27 petaflop que contiene más de 18, 000 GPU, Cholla encontró su pareja. Después de probar el código en un clúster de GPU en la Universidad de 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. Es más, 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, sin embargo, 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."