Los primeros astrónomos estudiaron minuciosamente los movimientos sutiles de las estrellas en el cielo nocturno para tratar de determinar cómo se mueve nuestro planeta en relación con otros cuerpos celestes. A medida que la tecnología ha aumentado, también lo ha hecho la comprensión de cómo funciona el universo y nuestra posición relativa dentro de él.

Lo que sigue siendo un misterio sin embargo, es una comprensión más detallada de cómo se formaron las estrellas y los planetas en primer lugar. Los astrofísicos y cosmólogos entienden que el movimiento de materiales a través del medio interestelar (ISM) ayudó a formar planetas y estrellas, pero cómo esta compleja mezcla de gas y polvo —el combustible para la formación de estrellas— se mueve por el universo es aún más misterioso.

Para ayudar a comprender mejor este misterio, Los investigadores han recurrido al poder de la computación de alto rendimiento (HPC) para desarrollar recreaciones de alta resolución de los fenómenos de la galaxia. Al igual que varios desafíos terrestres en la investigación de ingeniería y dinámica de fluidos, Los astrofísicos se centran en desarrollar una mejor comprensión del papel de la turbulencia para ayudar a dar forma a nuestro universo.

Durante los últimos años, una colaboración de múltiples instituciones liderada por el profesor asociado de la Universidad Nacional Australiana Christoph Federrath y el profesor de la Universidad de Heidelberg Ralf Klessen ha estado utilizando recursos de HPC en el Centro de Supercomputación Leibniz (LRZ) en Garching, cerca de Munich, para estudiar la influencia de la turbulencia en la formación de galaxias. El equipo reveló recientemente la llamada "escala sónica" de la turbulencia astrofísica, que marca la transición que se mueve de velocidades supersónicas a subsónicas (más rápidas o más lentas que la velocidad del sonido, respectivamente), creando la simulación más grande de turbulencia supersónica en el proceso. El equipo publicó su investigación en Astronomía de la naturaleza .

Muchas escalas en una simulación

Para simular turbulencias en su investigación, Federrath y sus colaboradores necesitaban resolver las complejas ecuaciones de la dinámica de los gases que representan una amplia variedad de escalas. Específicamente, el equipo necesitaba simular dinámicas turbulentas en ambos lados de la escala sónica en el complejo, mezcla gaseosa que viaja a través del ISM. Esto significó tener una simulación lo suficientemente grande para capturar estos fenómenos a gran escala que ocurren más rápido que la velocidad del sonido, mientras también avanza la simulación lentamente y con suficiente detalle para modelar con precisión el más pequeño, dinámica más lenta que tiene lugar a velocidades subsónicas.

"Los flujos turbulentos solo ocurren en escalas alejadas de la fuente de energía que impulsa a gran escala, y también lejos de la llamada disipación (donde la energía cinética de la turbulencia se convierte en calor) a pequeñas escalas ", dijo Federrath." Para nuestra simulación particular, en el que queremos resolver tanto la cascada de turbulencia supersónica como la subsónica con la escala sónica en el medio, esto requiere que se resuelvan al menos cuatro órdenes de magnitud en escalas espaciales ".

Además de la escala, la complejidad de las simulaciones es otro gran desafío computacional. Si bien la turbulencia en la Tierra es uno de los últimos grandes misterios sin resolver de la física, Los investigadores que están estudiando la turbulencia terrestre tienen una gran ventaja:la mayoría de estos fluidos son incompresibles o solo ligeramente comprimibles. lo que significa que la densidad de los fluidos terrestres se mantiene casi constante. En el ISM, aunque, la mezcla gaseosa de elementos es altamente comprimible, lo que significa que los investigadores no solo tienen que tener en cuenta la gran variedad de escalas que influyen en la turbulencia, también tienen que resolver ecuaciones a lo largo de la simulación para conocer la densidad de los gases antes de continuar.

Comprender la influencia que juega la densidad cerca de la escala sónica en la formación estelar es importante para Federrath y sus colaboradores. porque las teorías modernas sobre la formación de estrellas sugieren que la propia escala sónica sirve como una "zona Ricitos de Oro" para la formación de estrellas. Los astrofísicos han utilizado durante mucho tiempo términos similares para discutir cómo la proximidad de un planeta a una estrella determina su capacidad para albergar vida. sino por la formación de estrellas en sí, la escala sónica logra un equilibrio entre las fuerzas de la turbulencia y la gravedad, creando las condiciones para que las estrellas se formen más fácilmente. Las escalas más grandes que la escala sónica tienden a tener demasiada turbulencia, lo que lleva a una escasa formación de estrellas, mientras que en más pequeño, regiones subsónicas, la gravedad gana el día y conduce a la formación de cúmulos de estrellas localizados.

Para simular con precisión la escala sónica y las escalas supersónicas y subsónicas a cada lado, el equipo trabajó con LRZ para escalar su aplicación a más de 65, 000 núcleos de cálculo en el sistema SuperMUC HPC. Tener tantos núcleos de cómputo disponibles permitió al equipo crear una simulación con más de 1 billón de elementos de resolución, lo que la convierte en la simulación más grande de su tipo.

"Con esta simulación, pudimos resolver la escala sónica por primera vez, ", Dijo Federrath." Descubrimos que su ubicación estaba cerca de las predicciones teóricas, pero con ciertas modificaciones que, con suerte, conducirán a modelos de formación de estrellas más refinados y predicciones más precisas de las tasas de formación de estrellas de las nubes moleculares en el universo. La formación de estrellas impulsa la evolución de las galaxias a gran escala y establece las condiciones iniciales para la formación de planetas a pequeña escala. y la turbulencia juega un papel importante en todo esto. En última instancia, esperamos que esta simulación mejore nuestra comprensión de los diferentes tipos de turbulencias en la Tierra y en el espacio ".

Colaboraciones cosmológicas y avances computacionales

Si bien el equipo está orgulloso de su simulación récord, ya está centrando su atención en agregar más detalles en sus simulaciones, conduciendo a una imagen aún más precisa de la formación estelar. Federrath indicó que el equipo planeaba comenzar a incorporar los efectos de los campos magnéticos en la simulación, lo que lleva a un aumento sustancial de la memoria para una simulación que ya requiere una memoria y una potencia de cálculo considerables, así como varios petabytes de almacenamiento; la simulación actual requiere 131 terabytes de memoria y 23 terabytes de espacio en disco por instantánea, con toda la simulación que consta de más de 100 instantáneas.

Desde que estaba trabajando en su doctorado en la Universidad de Heidelberg, Federrath ha colaborado con el personal de AstroLab de LRZ para ayudar a escalar sus simulaciones para aprovechar al máximo los sistemas HPC modernos. La ejecución de la simulación más grande de su tipo hasta la fecha sirve como validación de los méritos de esta colaboración de larga duración. Durante este período, Federrath ha trabajado en estrecha colaboración con el Dr. Luigi Iapichino de LRZ, Jefe de AstroLab de LRZ, quien fue coautor de la Astronomía de la naturaleza publicación.

"Veo nuestra misión como la interfaz entre la complejidad cada vez mayor de las arquitecturas HPC, que es una carga para los desarrolladores de aplicaciones, y los científicos, que no siempre tienen las habilidades adecuadas para usar los recursos de HPC de la manera más efectiva, "Dijo Iapichino." Desde este punto de vista, colaborar con Christoph fue bastante simple porque es muy hábil en la programación para el rendimiento de HPC. Me alegro que en este tipo de colaboraciones, Los especialistas en aplicaciones son a menudo socios de investigadores de pleno derecho, porque hace hincapié en el papel clave que desempeña el personal de los centros en el marco de HPC en evolución ".