Forskere udfører den hidtil største supersoniske turbulenssimulering

Tidlige astronomer studerede omhyggeligt de subtile bevægelser af stjerner på nattehimlen for at prøve at bestemme, hvordan vores planet bevæger sig i forhold til andre himmellegemer. Efterhånden som teknologien er steget, det samme har forståelsen af, hvordan universet fungerer, og vores relative position i det.

Hvad forbliver et mysterium, imidlertid, er en mere detaljeret forståelse af, hvordan stjerner og planeter blev dannet i første omgang. Astrofysikere og kosmologer forstår, at bevægelsen af ​​materialer på tværs af det interstellare medium (ISM) hjalp med at danne planeter og stjerner, men hvordan denne komplekse blanding af gas og støv – brændstoffet til stjernedannelse – bevæger sig hen over universet, er endnu mere mystisk.

For at hjælpe bedre med at forstå dette mysterium, forskere har vendt sig til kraften i high-performance computing (HPC) for at udvikle højopløselige genskabelser af fænomener i galaksen. Ligesom adskillige terrestriske udfordringer inden for ingeniør- og fluiddynamikforskning, astrofysikere er fokuseret på at udvikle en bedre forståelse af turbulensens rolle i at hjælpe med at forme vores univers.

I løbet af de sidste mange år, et samarbejde mellem flere institutioner, der ledes af lektor Christoph Federrath fra Australian National University og professor Ralf Klessen fra Heidelberg Universitet, har brugt HPC-ressourcer ved Leibniz Supercomputing Center (LRZ) i Garching nær München til at studere turbulensens indflydelse på galaksedannelsen. Holdet afslørede for nylig den såkaldte "soniske skala" af astrofysisk turbulens - hvilket markerer overgangen fra supersoniske til subsoniske hastigheder (hurtigere eller langsommere end lydens hastighed, henholdsvis) - at skabe den største nogensinde simulering af supersonisk turbulens i processen. Holdet offentliggjorde sin forskning i Natur astronomi .

Mange skalaer i en simulering

For at simulere turbulens i deres forskning, Federrath og hans samarbejdspartnere havde brug for at løse de komplekse ligninger af gasdynamik, der repræsenterer en lang række skalaer. Specifikt, holdet havde brug for at simulere turbulent dynamik på begge sider af den soniske skala i komplekset, gasblanding, der bevæger sig gennem ISM. Dette betød at have en tilstrækkelig stor simulering til at fange disse storstilede fænomener, der sker hurtigere end lydens hastighed, samtidig med at simuleringen fremmes langsomt og med nok detaljer til nøjagtigt at modellere de mindre, langsommere dynamik, der finder sted ved subsoniske hastigheder.

"Turbulente strømninger forekommer kun på skalaer langt væk fra den energikilde, der driver i store skalaer, og også langt væk fra den såkaldte dissipation (hvor den kinetiske energi af turbulensen bliver til varme) på små skalaer," sagde Federrath. "Til vores særlige simulering, hvor vi ønsker at løse både den supersoniske og den subsoniske kaskade af turbulens med den soniske skala imellem, dette kræver mindst fire størrelsesordener i rumlige skalaer for at blive løst."

Ud over skala, kompleksiteten af ​​simuleringerne er en anden stor beregningsmæssig udfordring. Mens turbulens på Jorden er et af fysikkens sidste store uløste mysterier, forskere, der studerer terrestrisk turbulens, har en stor fordel - størstedelen af ​​disse væsker er inkompressible eller kun let komprimerbare, hvilket betyder, at tætheden af ​​terrestriske væsker forbliver tæt på konstant. I ISM, selvom, den gasformige blanding af elementer er meget komprimerbar, hvilket betyder, at forskere ikke kun skal tage højde for den store række af skalaer, der påvirker turbulens, de skal også løse ligninger gennem simuleringen for at kende gassernes tæthed, før de fortsætter.

At forstå den indflydelse, som tæthed nær den soniske skala spiller i stjernedannelse, er vigtig for Federrath og hans samarbejdspartnere, fordi moderne teorier om stjernedannelse antyder, at selve lydskalaen fungerer som en "Goldilocks-zone" for stjernedannelse. Astrofysikere har længe brugt lignende udtryk til at diskutere, hvordan en planets nærhed til en stjerne bestemmer dens evne til at være vært for liv, men for selve stjernedannelsen, den soniske skala skaber balance mellem turbulens og tyngdekraft, skabe betingelserne for, at stjerner lettere kan dannes. Skalaer større end den soniske skala har en tendens til at have for meget turbulens, fører til sparsom stjernedannelse, mens i mindre, subsoniske regioner, tyngdekraften vinder dagen og fører til, at der dannes lokale klynger af stjerner.

For nøjagtigt at simulere den soniske skala og de supersoniske og subsoniske skalaer på begge sider, teamet arbejdede sammen med LRZ for at skalere sin ansøgning til mere end 65, 000 computerkerner på SuperMUC HPC-systemet. At have så mange computerkerner tilgængelige gjorde det muligt for holdet at skabe en simulering med mere end 1 billion opløsningselementer, hvilket gør det til den hidtil største simulering af sin art.

"Med denne simulering, vi var i stand til at løse den soniske skala for første gang, " sagde Federrath. "Vi fandt ud af, at dens placering var tæt på teoretiske forudsigelser, men med visse modifikationer, der forhåbentlig vil føre til mere raffinerede stjernedannelsesmodeller og mere præcise forudsigelser af stjernedannelseshastigheder for molekylære skyer i universet. Dannelsen af ​​stjerner driver udviklingen af ​​galakser på store skalaer og sætter de indledende betingelser for planetdannelse på små skalaer, og turbulens spiller en stor rolle i alt dette. Vi håber i sidste ende, at denne simulering fremmer vores forståelse af de forskellige typer af turbulens på Jorden og i rummet."

Kosmologiske samarbejder og beregningsmæssige fremskridt

Mens holdet er stolte af sin rekordstore simulering, den retter allerede sin opmærksomhed mod at tilføje flere detaljer i sine simuleringer, fører til et endnu mere præcist billede af stjernedannelse. Federrath indikerede, at holdet planlagde at begynde at inkorporere virkningerne af magnetiske felter på simuleringen, hvilket fører til en væsentlig forøgelse af hukommelsen for en simulering, der allerede kræver betydelig hukommelse og computerkraft samt flere petabyte lagring – den nuværende simulering kræver 131 terabyte hukommelse og 23 terabyte diskplads pr. snapshot, med hele simuleringen bestående af mere end 100 snapshots.

Siden han arbejdede på sin doktorgrad ved universitetet i Heidelberg, Federrath har samarbejdet med personalet på LRZ's AstroLab for at hjælpe med at skalere sine simuleringer for at drage fuld fordel af moderne HPC-systemer. At køre den hidtil største simulering af sin type tjener som validering af fordelene ved dette langvarige samarbejde. I denne periode, Federrath har arbejdet tæt sammen med LRZ's Dr. Luigi Iapichino, Leder af LRZ's AstroLab, der var medforfatter på Natur astronomi offentliggørelse.

"Jeg ser vores mission som værende grænsefladen mellem den stadigt stigende kompleksitet af HPC-arkitekturerne, hvilket er en byrde for applikationsudviklere, og forskerne, som ikke altid har de rigtige færdigheder til at bruge HPC-ressourcer på den mest effektive måde, " sagde Iapichino. "Fra dette synspunkt, samarbejdet med Christoph var ganske enkelt, fordi han er meget dygtig til at programmere til HPC-ydelse. Jeg er glad for, at i denne form for samarbejder, applikationsspecialister er ofte fuldgyldige partnere for forskere, fordi det understreger den nøglerolle, centrenes personale spiller i den udviklende HPC-ramme."