Genom att förstå stjärnorna och deras ursprung, vi lär oss mer om var vi kommer ifrån. Dock, galaxens viddhet – än mindre hela universum – betyder att experiment för att förstå dess ursprung är dyra, svårt och tidskrävande. Faktiskt, experiment är omöjliga för att studera vissa aspekter av astrofysik, vilket betyder att för att få större insikt i hur galaxer bildades, forskare förlitar sig på superdatorer.

I ett försök att utveckla en mer komplett bild av galaxbildningen, forskare från Heidelberginstitutet för teoretiska studier, Max-Planck Institutes for Astrophysics and for Astronomy, Massachusetts Institute of Technology, Harvard Universitet, och Center for Computational Astrophysics i New York har vänt sig till superdatorresurser vid High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS), en av de tre tyska superdatoranläggningarna i världsklass som omfattar Gauss Center for Supercomputing (GCS). Den resulterande simuleringen kommer att hjälpa till att verifiera och utöka befintlig experimentell kunskap om universums tidiga stadier.

Nyligen, teamet utökade sin 2015 rekordstora "Illustris"-simulering – den största någonsin hydrologiska simuleringen av galaxbildning. Hydrodynamiska simuleringar gör det möjligt för forskare att exakt simulera gasens rörelse. Stjärnor bildas från kosmisk gas, och starlight ger astrofysiker och kosmologer viktig information för att förstå hur universum fungerar.

Forskarna förbättrade omfattningen och noggrannheten av sin simulering, namnger denna fas av projektet Illustris:The Next Generation (IllustrisTNG). Teamet släppte sin första omgång av iakttagelser över tre tidskriftsartiklar som visas i Månatliga meddelanden från Royal Astronomical Society och förbereder flera för publicering.

Magnetisk modellering

Precis som mänskligheten inte kan föreställa sig exakt hur universum kom till, en datorsimulering kan inte återskapa universums födelse i bokstavlig mening. Istället, forskare matar in ekvationer och andra utgångsförhållanden – observationer från satellitmatriser och andra källor – till en gigantisk beräkningskub som representerar en stor sträng av universum och använder sedan numeriska metoder för att sätta igång detta "universum i en låda".

För många aspekter av simuleringen, forskare kan börja sina beräkningar på en grundläggande, eller ab initio, nivå utan behov av förutfattade indata, men processer som är mindre förstådda – såsom stjärnbildning och tillväxten av supermassiva svarta hål – behöver informeras genom observation och genom att göra antaganden som kan förenkla syndafloden av beräkningar.

I takt med att beräkningskraften och kunnandet har ökat, så, för, har förmågan att simulera större ytor i rymden och allt mer invecklade och komplexa fenomen relaterade till galaxbildning. Med IllustrisTNG, laget simulerade tre universums "skivor" i olika upplösningar. Den största var 300 megaparsek över, eller ungefär 1 miljard ljusår. Laget använde 24, 000 kärnor på Hazel Hen under intervallet 35 miljoner kärntimmar.

I ett av IllustrisTNG:s stora framsteg, forskarna omarbetade simuleringen för att inkludera en mer exakt redovisning av magnetfält, förbättra simuleringens noggrannhet. "Magnetiska fält är intressanta av en mängd olika anledningar, " sa Prof. Dr. Volker Springel, professor och forskare vid Heidelberginstitutet för teoretiska studier och huvudforskare på projektet. "Det magnetiska trycket som utövas på kosmisk gas kan ibland vara lika med termiskt (temperatur) tryck, vilket betyder att om du försummar detta, du kommer att missa dessa effekter och i slutändan äventyra dina resultat."

Under utvecklingen av IllustrisTNG gjorde teamet också ett överraskande framsteg när det gäller att förstå svarta håls fysik. Baserat på observationskunskap, forskarna visste att supermassiva svarta hål driver fram kosmiska gaser med mycket energi samtidigt som de "blåser" bort denna gas från galaxhopar. Detta hjälper till att "stänga av" stjärnbildningen i de största galaxerna och sätter därmed en gräns för den maximala storlek de kan nå.

I den tidigare Illustris-simuleringen, forskarna märkte att medan svarta hål går igenom denna energiöverföringsprocess, de skulle inte stänga av stjärnbildningen helt. Genom att revidera de svarta hålens fysik i simuleringen, teamet såg mycket bättre överensstämmelse mellan data och observation, ge forskare större förtroende för att deras simulering överensstämmer med verkligheten.

En långvarig allians

Teamet har använt GCS-resurser sedan 2015 och kört IllustrisTNG-simuleringen på HLRS-resurser sedan mars 2016. Med tanke på att IllustrisTNG:s datauppsättning är både större och mer exakt än originalet, forskarna är övertygade om att deras data kommer att användas i stor utsträckning medan de ansöker om mer tid för att fortsätta förfina simuleringen. Den ursprungliga Illustris-datareleasen fick 2, 000 registrerade användare och resulterade i mer än 130 publikationer.

Under tiden, forskarna har förlitat sig på GCS supportpersonal för att hjälpa till med flera lågnivåproblem relaterade till deras kod, specifikt relaterat till minneskrascher och filsystemproblem. Teammedlemmar Drs. Dylan Nelson och Rainer Weinberger gynnades också båda av att delta i 2016 och 2017 års skalningsverkstäder på maskinnivå på HLRS. Teamets långvariga samarbete med HLRS har resulterat i att de vann Golden Spike-priserna 2016 och 2017, som ges till framstående användarprojekt under HLRS årliga resultat- och granskningsworkshop.

Nelson påpekade att även om nuvarande generations superdatorer har möjliggjort simuleringar som till stor del har övervunnit de flesta grundläggande problem relaterade till storskalig kosmologisk modellering, det finns fortfarande möjligheter till förbättringar.

"Ökat minne och bearbetningsresurser i nästa generationssystem kommer att göra det möjligt för oss att simulera stora volymer av universum med högre upplösning, ", sa Nelson. "Stora volymer är viktiga för kosmologi, förstå universums storskaliga struktur, och göra fasta förutsägelser för nästa generation av stora observationsprojekt. Hög upplösning är viktig för att förbättra våra fysiska modeller av de processer som pågår inuti enskilda galaxer i vår simulering."