Galaktiske vinde får forskere til at undersøge galakser i en hidtil uset skala

Når astronomer kigger ind i universet, hvad de ser, overskrider ofte grænserne for menneskelig forståelse. Sådan er det med lavmassegalakser-galakser en brøkdel af størrelsen på vores egen Mælkevej.

Disse små, svage systemer, der består af millioner eller milliarder af stjerner, støv, og gas udgør den mest almindelige type galakse, der observeres i universet. Men ifølge astrofysikeres mest avancerede modeller, lavmasse-galakser bør indeholde mange flere stjerner, end de ser ud til at indeholde.

En førende teori om denne uoverensstemmelse afhænger af springvandlignende udstrømninger af gas, der observeres at forlade nogle galakser. Disse udstrømninger er drevet af stjerners liv og død, specifikt stjernevinde og supernovaeksplosioner, som samlet giver anledning til et fænomen kendt som "galaktisk vind." Da stjerneaktivitet driver gas ud i intergalaktisk rum, galakser mister værdifuldt råmateriale for at lave nye stjerner. Fysikken og kræfterne i spil under denne proces, imidlertid, forblive noget af et mysterium.

For bedre at forstå, hvordan galaktisk vind påvirker stjernedannelse i galakser, et to-personers team ledet af University of California, Santa Cruz, vendte sig til højtydende computing ved Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), et amerikansk energidepartement (DOE) Office of Science User Facility placeret på DOE's Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Specifikt, UC Santa Cruz astrofysiker Brant Robertson og University of Arizona kandidatstuderende Evan Schneider (nu Hubble -stipendiat ved Princeton University), skaleret deres Cholla hydrodynamiske kode op på OLCF's Cray XK7 Titan supercomputer for at skabe meget detaljerede simuleringer af galaktisk vind.

"Processen med at generere galaktiske vinde er noget, der kræver udsøgt opløsning over et stort volumen for at forstå - meget bedre opløsning end andre kosmologiske simuleringer, der modellerer populationer af galakser, "Sagde Robertson." Det er noget, du virkelig har brug for en maskine som Titan til at gøre. "

Efter at have optjent en tildeling på Titan gennem DOE's INCITE -program, Robertson og Schneider startede i det små, simulerer en varm, supernova-drevet vind, der kolliderer med en kølig gassky over 300 lysårige rum. (Et lysår er lig med afstanden, lyset bevæger sig om 1 år.) Resultaterne tillod teamet at udelukke en mulig mekanisme for galaktisk vind.

Nu sætter holdet sigter højere, med det formål at generere næsten en billion-cellesimulering af en hel galakse, hvilket ville være den største simulering af en galakse nogensinde. Ud over at slå rekorder, Robertson og Schneider stræber efter at afdække nye detaljer om galaktisk vind og de kræfter, der regulerer galakser, indsigt, der kan forbedre vores forståelse af lavmasse-galakser, mørkt stof, og universets udvikling.

Simulering af kolde skyer

Omkring 12 millioner lysår fra Jorden ligger en af ​​Mælkevejens nærmeste naboer, en disk galakse kaldet Messier 82 (M82). Mindre end Mælkevejen, M82s cigarform understreger en flygtig personlighed. Galaksen producerer nye stjerner cirka fem gange hurtigere end vores egen galakses hastighed for stjerneproduktion. Denne stjerneskabende vanvid giver anledning til galaktisk vind, der skubber mere gas ud, end systemet holder i, førende astronomer til at anslå, at M82 vil løbe tør for brændstof på bare 8 millioner år.

Analyse af billeder fra NASAs Hubble -rumteleskop, forskere kan observere denne langsomt udviklede udvandring af gas og støv. Data indsamlet fra sådanne observationer kan hjælpe Robertson og Schneider med at måle, om de er på rette spor, når de simulerer galaktisk vind.

"Med galakser som M82, du ser meget koldt materiale i en stor radius, der flyder meget hurtigt ud. Vi ville se, hvis du tog en realistisk sky af kold gas og ramte den med en varm, hurtigt flydende, supernova-drevet udstrømning, hvis du kunne accelerere det kolde materiale til hastigheder som det, der observeres, "Sagde Robertson.

At besvare dette spørgsmål i høj opløsning krævede en effektiv kode, der kunne løse problemet baseret på velkendt fysik, såsom bevægelse af væsker. Robertson and Schneider developed Cholla to carry out hydrodynamics calculations entirely on GPUs, 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. Desuden, 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, imidlertid, 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."