Галактические ветры подталкивают исследователей к исследованию галактик в беспрецедентных масштабах: код Cholla опирается на мощность графического процессора Titan для проведения симуляций с высоким разрешением и большим объемом

Эти маленькие слабые системы, состоящие из миллионов или миллиардов звезд, пыли и газа, составляют наиболее распространенный тип галактик, наблюдаемых во Вселенной. Но согласно наиболее продвинутым моделям астрофизиков, маломассивные галактики должны содержать намного больше звезд, чем они кажутся.Основная теория этого несоответствия основана на фонтанных истечениях газа, наблюдаемых при выходе из некоторых галактик.

Эти оттоки вызваны жизнью и смертью звезд, в частности звездным ветром и взрывами сверхновых, которые в совокупности вызывают явление, известное как «галактический ветер». По мере того как звездная активность вытесняет газ в межгалактическое пространство, галактики теряют драгоценное сырье для образования новых звезд. Однако физика и силы, задействованные в этом процессе, остаются загадкой.

Чтобы лучше понять, как галактический ветер влияет на звездообразование в галактиках, группа из двух человек под руководством Калифорнийского университета в Санта-Круз обратилась к высокопроизводительным вычислениям в Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) Министерства энергетики США ( DOE) Office of Science User Facility, расположенный в Национальной лаборатории DOE в Ок-Ридж (ORNL). В частности, астрофизик Калифорнийского университета в Санта-Крузе Брант Робертсон и аспирант Университета Аризоны Эван Шнайдер (ныне научный сотрудник Хаббла в Принстонском университете) расширили свой гидродинамический код Чоллы на суперкомпьютере Cray XK7 Titan OLCF, чтобы создать детализированное моделирование галактического ветра.«Процесс генерации галактических ветров — это то, что требует точного разрешения в большом объеме для понимания — гораздо лучшего разрешения, чем другие космологические модели, моделирующие популяции галактик», — сказал Робертсон. «Это то, для чего вам действительно нужна такая машина, как Titan».Получив место на Титане в рамках программы INCITE Министерства энергетики США, Робертсон и Шнайдер начали с малого, имитируя столкновение горячего ветра, вызванного сверхновой, с холодным облаком газа в 300 световых годах космоса. (Световой год равен расстоянию, которое свет проходит за 1 год.) Результаты позволили команде исключить потенциальный механизм галактического ветра.

Теперь команда ставит перед собой новые цели, стремясь создать симуляцию целой галактики, состоящую из почти триллиона ячеек, что станет самой большой симуляцией галактики за всю историю. Помимо установления рекордов, Робертсон и Шнайдер стремятся раскрыть новые подробности о галактическом ветре и силах, регулирующих галактики, — идеи, которые могут улучшить наше понимание маломассивных галактик, темной материи и эволюции Вселенной.

Имитация холодных облаковПримерно в 12 миллионах световых лет от Земли находится один из ближайших соседей Млечного Пути, дисковая галактика под названием Мессье 82 (M82).

Форма сигары M82 меньше, чем Млечный Путь, подчеркивает изменчивую личность. Галактика производит новые звезды примерно в пять раз быстрее, чем скорость образования звезд в нашей собственной галактике.

Это безумие звездообразования порождает галактический ветер, который выталкивает больше газа, чем удерживает система, что позволяет астрономам предполагать, что у M82 закончится топливо всего через 8 миллионов лет.Анализируя изображения, полученные с космического телескопа НАСА Хаббл, ученые могут наблюдать этот медленно развивающийся исход газа и пыли. Данные, собранные в результате таких наблюдений, могут помочь Робертсону и Шнайдеру определить правильность их пути при моделировании галактического ветра.

«В таких галактиках, как M82, вы видите много холодного материала на большом радиусе, который истекает очень быстро. Мы хотели посмотреть, если вы возьмете реалистичное облако холодного газа и поразите его горячим, быстрым потоком, управляемым сверхновой. — сказал Робертсон, — сказал Робертсон.

Чтобы ответить на этот вопрос с высоким разрешением, потребовался эффективный код, который мог бы решить проблему, основанную на хорошо известной физике, например, о движении жидкостей. Робертсон и Шнайдер разработали Cholla для выполнения гидродинамических расчетов полностью на графических процессорах, ускорителях с высокой степенью параллелизма, которые превосходно справляются с простой обработкой чисел и, таким образом, достигают результатов с высоким разрешением.В Titan, системе с производительностью 27 петафлопс, содержащей более 18 000 графических процессоров, Cholla нашла себе равных. После тестирования кода на кластере графических процессоров в Университете Аризоны Робертсон и Шнайдер протестировали Cholla в соответствии с двумя небольшими наградами OLCF Director’s Discretionary, прежде чем позволить коду расслабиться в INCITE.

В ходе тестовых прогонов код поддерживал масштабирование для более чем 16 000 графических процессоров.«Мы можем использовать весь Titan, — сказал Робертсон, — что отчасти удивительно, потому что подавляющая часть мощности этой системы заключена в графических процессорах».Сочетание кода и компьютера дало Робертсону и Шнадеру инструменты, необходимые для создания высокоточных симуляций газовых облаков диаметром более 15 световых лет. Кроме того, команда может увеличивать отдельные части моделирования, чтобы изолированно изучить фазы и свойства галактического ветра.

Эта возможность помогла команде опровергнуть теорию, согласно которой холодные облака вблизи центра галактики могут быть вытеснены быстрым горячим ветром сверхновых.«Ответ — это невозможно», — сказал Робертсон. «Горячий ветер разрывает облака, и облака становятся срезанными и очень узкими. Они похожи на маленькие ленточки, которые очень трудно натянуть».

Галактические целиДоказав вычислительные возможности Чоллы, Робертсон и Шнайдер теперь планируют моделирование всей галактики, примерно в 10-20 раз больше, чем их предыдущие усилия.

Увеличение размера моделирования позволит команде проверить альтернативную теорию возникновения галактического ветра в дисковых галактиках, подобных M82. Теория предполагает, что облака холодного газа конденсируются из выходящего горячего газа по мере расширения и охлаждения.«Это то, что предполагалось в аналитических моделях, но не проверялось в моделировании», — сказал Робертсон. «Вы должны смоделировать всю галактику, чтобы запечатлеть этот процесс, потому что динамика истечения такова, что вам нужно глобальное моделирование диска».

Моделирование всей галактики, вероятно, будет состоять из сотен миллиардов ячеек, представляющих более 30 000 световых лет космоса. Чтобы покрыть это пространство, команде придется пожертвовать решительностью. Тем не менее, он может полагаться на детальное моделирование газовых облаков, чтобы преодолеть масштабы и сообщить нерешенные физические данные в рамках более крупного моделирования.

«Вот что интересно в проведении этих симуляций в самых разных масштабах», — сказал Робертсон. «Мы можем откалибровать постфактум, чтобы понять, как мы можем ошибиться в более грубой и крупной симуляции».

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *