En banebrydende astrofysikkode modellerer hurtigt stjernekollisioner

En banebrydende astrofysikkode, ved navn Octo-Tiger, simulerer udviklingen af ​​selvgraviterende og roterende systemer med vilkårlig geometri ved hjælp af adaptiv mesh-forfining og en ny metode til at parallelisere koden for at opnå overlegne hastigheder.

Denne nye kode til at modellere stjernekollisioner er hurtigere end den etablerede kode, der bruges til numeriske simuleringer. Forskningen kom fra et unikt samarbejde mellem eksperimentelle dataloger og astrofysikere i Louisiana State University Department of Physics &Astronomy, LSU Center for Computation &Technology, Indiana University Kokomo og Macquarie University, Australien, kulminerer i mere end et år med benchmarktest og videnskabelige simuleringer, støttet af flere NSF-bevillinger, herunder en specielt designet til at bryde barrieren mellem datalogi og astrofysik.

"Takket være en betydelig indsats på tværs af dette samarbejde, vi har nu en pålidelig beregningsramme til at simulere stjernernes fusioner, sagde Patrick Motl, professor i fysik ved Indiana University Kokomo. "Ved at reducere beregningstiden væsentligt for at gennemføre en simulering, vi kan begynde at stille nye spørgsmål, som ikke kunne løses, da en enkelt-fusionssimulering var værdifuld og meget tidskrævende. Vi kan udforske mere parameterplads, undersøge en simulering med meget høj rumlig opløsning eller i længere tid efter en fusion, og vi kan udvide simuleringerne til at omfatte mere komplette fysiske modeller ved at inkorporere strålingsoverførsel, for eksempel."

For nylig udgivet i Månedlige meddelelser fra Royal Astronomical Society , "Octo-Tiger:En ny, 3D hydrodynamisk kode til stjernefusioner, der bruger HPX-parallelisering, " undersøger kodens ydeevne og præcision gennem benchmark test. Forfatterne, Dominic C. Marcello, postdoc forsker; Sagiv Shiber, postdoc forsker; Juhan Frank, professor; Geoffrey C. Clayton, professor; Patrick Diehl, forsker; og Hartmut Kaiser, forsker, alle på Louisiana State University - sammen med samarbejdspartnere Orsola De Marco, professor ved Macquarie University og Patrick M. Motl, professor ved Indiana University Kokomo - sammenlignede deres resultater med analytiske løsninger, når kendt og andre netbaserede koder, såsom den populære FLASH. Ud over, de beregnede interaktionen mellem to hvide dværge fra den tidlige masseoverførsel til fusionen og sammenlignede resultaterne med tidligere simuleringer af lignende systemer.

"En test på Australiens hurtigste supercomputer, Gadi (#25 på verdens top 500 liste), viste, at Octo-Tiger, kører på et kernetal over 80, 000, viser fremragende ydeevne til store modeller af fusionerende stjerner, " sagde De Marco. "Med Octo-Tiger, vi kan ikke kun reducere ventetiden dramatisk, men vores modeller kan besvare mange flere af de spørgsmål, vi gerne vil stille."

Octo-Tiger er i øjeblikket optimeret til at simulere sammensmeltningen af ​​velopløste stjerner, der kan tilnærmes af barotrope strukturer, såsom hvide dværge eller hovedsekvensstjerner. Tyngdekraftsløseren bevarer vinkelmomentum til maskinpræcision, takket være en korrektionsalgoritme. Denne kode bruger HPX parallelisering, tillader overlapning af arbejde og kommunikation og fører til fremragende skaleringsegenskaber til at løse store problemer på kortere tidsrammer.

"Dette papir viser, hvordan et asynkront opgavebaseret runtime-system kan bruges som et praktisk alternativ til Message Passing Interface for at understøtte et vigtigt astrofysisk problem, " sagde Diehl.

Forskningen skitserer de aktuelle og planlagte udviklingsområder med henblik på at tackle en række fysiske fænomener knyttet til observationer af transienter.

"Mens vores særlige forskningsinteresse er i stjernernes fusioner og deres eftervirkninger, der er en række problemer inden for beregningsastrofysik, som Octo-Tiger kan løse med sin grundlæggende infrastruktur for selvgraviterende væsker, " sagde Motl.

Animationen blev udarbejdet af Shiber, der siger:"Octo-Tiger viser bemærkelsesværdig ydeevne både i løsningernes nøjagtighed og i skalering til titusindvis af kerner. Disse resultater demonstrerer Octo-Tiger som en ideel kode til modellering af masseoverførsel i binære systemer og til simulering af stjernesammenlægninger. "