När astronomer tittar in i universum, vad de ser överskrider ofta gränserna för mänsklig förståelse. Så är fallet med galaxer med låg massa – galaxer som är en bråkdel av storleken på vår egen Vintergatan.

Dessa små, svaga system som består av miljoner eller miljarder stjärnor, damm, och gas utgör den vanligaste typen av galax som observeras i universum. Men enligt astrofysikernas mest avancerade modeller, lågmassgalaxer borde innehålla många fler stjärnor än de verkar innehålla.

En ledande teori för denna diskrepans beror på de fontänliknande utflöden av gas som observerats lämna vissa galaxer. Dessa utflöden drivs av stjärnors liv och död, speciellt stjärnvindar och supernovaexplosioner, som tillsammans ger upphov till ett fenomen som kallas "galaktisk vind". När stjärnaktivitet driver ut gas i det intergalaktiska rymden, galaxer förlorar värdefullt råmaterial för att skapa nya stjärnor. Fysiken och krafterna som spelar under denna process, dock, förblir något av ett mysterium.

För att bättre förstå hur galaktisk vind påverkar stjärnbildningen i galaxer, ett team på två personer som leds av University of California, Santa Cruz, övergick till högpresterande datoranvändning vid Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), en US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility belägen vid DOE:s Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Specifikt, UC Santa Cruz astrofysiker Brant Robertson och University of Arizona doktorand Evan Schneider (nu Hubble Fellow vid Princeton University), skalat upp sin Cholla hydrodynamikkod på OLCF:s Cray XK7 Titan superdator för att skapa mycket detaljerade simuleringar av galaktisk vind.

"Processen att generera galaktiska vindar är något som kräver utsökt upplösning över en stor volym för att förstå - mycket bättre upplösning än andra kosmologiska simuleringar som modellerar populationer av galaxer, "Sa Robertson. "Detta är något du verkligen behöver en maskin som Titan för att göra."

Efter att ha tjänat en tilldelning på Titan genom DOE:s INCITE-program, Robertson och Schneider började små, simulera en het, supernovadriven vind som kolliderar med ett kallt gasmoln över 300 ljusår av rymden. (Ett ljusår är lika med avståndet ljuset färdas på ett år.) Resultaten gjorde det möjligt för teamet att utesluta en potentiell mekanism för galaktisk vind.

Nu har laget siktet högre, som syftar till att generera nästan en biljon-cellssimulering av en hel galax, vilket skulle vara den största simuleringen av en galax någonsin. Förutom att slå rekord, Robertson och Schneider strävar efter att avslöja nya detaljer om galaktisk vind och krafterna som reglerar galaxer, insikter som kan förbättra vår förståelse av galaxer med låg massa, mörk materia, och universums utveckling.

Simulerar kalla moln

Cirka 12 miljoner ljusår från jorden bor en av Vintergatans närmaste grannar, en skivgalax som heter Messier 82 (M82). Mindre än Vintergatan, M82:s cigarrform understryker en flyktig personlighet. Galaxen producerar nya stjärnor ungefär fem gånger snabbare än vår egen galaxs stjärnproduktionstakt. Denna stjärnbildande frenesi ger upphov till galaktisk vind som trycker ut mer gas än vad systemet håller in, leder astronomer att uppskatta att M82 kommer att ta slut på bränsle om bara 8 miljoner år.

Analyserar bilder från NASA:s rymdteleskop Hubble, forskare kan observera denna långsamt utvecklande exodus av gas och damm. Data som samlats in från sådana observationer kan hjälpa Robertson och Schneider att bedöma om de är på rätt spår när de simulerar galaktisk vind.

"Med galaxer som M82, du ser mycket kallt material med stor radie som rinner ut väldigt snabbt. Vi ville se, om du tog ett realistiskt moln av kall gas och slog det med en varm, snabbt flytande, supernovadrivet utflöde, om du kunde accelerera det kalla materialet till hastigheter som det som observeras, " sa Robertson.

Att svara på denna fråga i hög upplösning krävde en effektiv kod som kunde lösa problemet baserat på välkänd fysik, såsom vätskors rörelse. Robertson och Schneider utvecklade Cholla för att utföra hydrodynamiska beräkningar helt på GPU:er, highly parallelized accelerators that excel at simple number crunching, thus achieving high-resolution results.

In Titan, a 27-petaflop system containing more than 18, 000 GPU:er, Cholla found its match. After testing the code on a GPU cluster at the University of 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. Vidare, 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, dock, 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."