Tidiga astronomer studerade noggrant de subtila rörelserna av stjärnor på natthimlen för att försöka avgöra hur vår planet rör sig i förhållande till andra himlakroppar. I takt med att tekniken har ökat, så har förståelsen för hur universum fungerar och vår relativa position inom det.

Vad förblir ett mysterium, dock, är en mer detaljerad förståelse av hur stjärnor och planeter bildades från början. Astrofysiker och kosmologer förstår att rörelsen av material över det interstellära mediet (ISM) hjälpte till att bilda planeter och stjärnor, men hur denna komplexa blandning av gas och damm – bränslet för stjärnbildning – rör sig över universum är ännu mer mystiskt.

För att bättre förstå detta mysterium, forskare har vänt sig till kraften hos högpresterande beräkningar (HPC) för att utveckla högupplösta återskapanden av fenomen i galaxen. Ungefär som flera terrestra utmaningar inom ingenjörs- och vätskedynamikforskning, astrofysiker är fokuserade på att utveckla en bättre förståelse av turbulensens roll för att hjälpa till att forma vårt universum.

Under de senaste åren, ett samarbete mellan flera institutioner som leds av docent Christoph Federrath från Australian National University och professor Ralf Klessen vid Heidelbergs universitet har använt HPC-resurser vid Leibniz Supercomputing Center (LRZ) i Garching nära München för att studera turbulensens inverkan på galaxbildningen. Teamet avslöjade nyligen den så kallade "ljudsskalan" för astrofysisk turbulens - vilket markerar övergången från överljudshastighet till subljudshastighet (snabbare eller långsammare än ljudets hastighet, respektive) – skapa den största någonsin simulering av överljudsturbulens i processen. Teamet publicerade sin forskning i Natur astronomi .

Många skalor i en simulering

För att simulera turbulens i sin forskning, Federrath och hans medarbetare behövde lösa de komplexa ekvationerna av gasdynamik som representerar en mängd olika skalor. Specifikt, teamet behövde simulera turbulent dynamik på båda sidor av ljudskalan i komplexet, gasblandning som rör sig över ISM. Detta innebar att ha en tillräckligt stor simulering för att fånga dessa storskaliga fenomen som händer snabbare än ljudets hastighet, samtidigt som simuleringen avancerar långsamt och med tillräckligt med detaljer för att noggrant modellera de mindre, långsammare dynamik som äger rum vid subsoniska hastigheter.

"Turbulenta flöden förekommer bara på skalor långt borta från energikällan som driver i stor skala, och även långt bort från den så kallade förlusten (där turbulensens kinetiska energi förvandlas till värme) på små skalor" sa Federrath. "För vår speciella simulering, där vi vill lösa både den överljuds- och den subsoniska kaskaden av turbulens med ljudskalan däremellan, detta kräver minst fyra storleksordningar i rumsliga skalor för att lösas."

Förutom skala, komplexiteten i simuleringarna är en annan stor beräkningsutmaning. Medan turbulens på jorden är ett av fysikens sista stora olösta mysterier, forskare som studerar terrestrisk turbulens har en stor fördel - majoriteten av dessa vätskor är inkompressibla eller endast lätt kompressibla, vilket innebär att densiteten av jordvätskor förblir nära konstant. I ISM, fastän, den gasformiga blandningen av element är mycket komprimerbar, vilket innebär att forskare inte bara måste ta hänsyn till det stora intervallet av skalor som påverkar turbulens, de måste också lösa ekvationer under hela simuleringen för att veta gasernas densitet innan de fortsätter.

Att förstå inflytandet som densitet nära ljudskalan spelar i stjärnbildning är viktigt för Federrath och hans medarbetare, eftersom moderna teorier om stjärnbildning antyder att själva ljudskalan fungerar som en "Goldilocks-zon" för stjärnbildning. Astrofysiker har länge använt liknande termer för att diskutera hur en planets närhet till en stjärna bestämmer dess förmåga att vara värd för liv, men för själva stjärnbildningen, ljudskalan uppnår en balans mellan krafterna av turbulens och gravitation, skapa förutsättningar för att stjärnor lättare kan bildas. Skalor större än ljudskalan tenderar att ha för mycket turbulens, leder till gles stjärnbildning, medan i mindre, subsoniska regioner, gravitationen vinner dagen och leder till att lokala stjärnhopar bildas.

För att exakt simulera ljudskalan och överljuds- och subljudsskalorna på båda sidor, teamet arbetade med LRZ för att skala sin ansökan till mer än 65, 000 beräkningskärnor på SuperMUC HPC-systemet. Att ha så många beräkningskärnor tillgängliga gjorde att teamet kunde skapa en simulering med mer än 1 biljon upplösningselement, vilket gör den till den största simuleringen någonsin i sitt slag.

"Med denna simulering, vi kunde lösa ljudskalan för första gången, " sa Federrath. "Vi fann att dess läge var nära teoretiska förutsägelser, men med vissa modifieringar som förhoppningsvis kommer att leda till mer förfinade stjärnbildningsmodeller och mer exakta förutsägelser av stjärnbildningshastigheter för molekylära moln i universum. Bildandet av stjärnor driver utvecklingen av galaxer på stor skala och sätter de initiala förutsättningarna för planetbildning på små skalor, och turbulens spelar en stor roll i allt detta. Vi hoppas i slutändan att denna simulering främjar vår förståelse av de olika typerna av turbulens på jorden och i rymden."

Kosmologiska samarbeten och beräkningsframsteg

Även om teamet är stolta över sin rekordstora simulering, den vänder redan sin uppmärksamhet på att lägga till fler detaljer i sina simuleringar, leder till en ännu mer exakt bild av stjärnbildningen. Federrath indikerade att laget planerade att börja införliva effekterna av magnetiska fält på simuleringen, vilket leder till en avsevärd ökning av minnet för en simulering som redan kräver betydande minne och datorkraft samt flera petabyte lagringsutrymme – den nuvarande simuleringen kräver 131 terabyte minne och 23 terabyte diskutrymme per ögonblicksbild, med hela simuleringen som består av mer än 100 ögonblicksbilder.

Sedan han arbetade med sin doktorsexamen vid universitetet i Heidelberg, Federrath har samarbetat med personal på LRZ:s AstroLab för att hjälpa till att skala sina simuleringar för att dra full nytta av moderna HPC-system. Att köra den största simuleringen i sitt slag någonsin fungerar som validering av fördelarna med detta långvariga samarbete. Under denna period, Federrath har arbetat nära med LRZ:s Dr. Luigi Iapichino, Chef för LRZ:s AstroLab, som var medförfattare på Natur astronomi offentliggörande.

"Jag ser vårt uppdrag som gränssnittet mellan den ständigt ökande komplexiteten hos HPC-arkitekturerna, vilket är en börda för applikationsutvecklarna, och forskarna, som inte alltid har rätt kompetens för att använda HPC-resurser på det mest effektiva sättet, " Sade Iapichino. "Ur denna synvinkel, Att samarbeta med Christoph var ganska enkelt eftersom han är mycket skicklig på att programmera för HPC-prestanda. Jag är glad att i den här typen av samarbeten, applikationsspecialister är ofta fullfjädrade partners till forskare, eftersom det betonar den nyckelroll som centras personal spelar i det framväxande HPC-ramverket."