Quando gli astronomi scrutano l'universo, ciò che vedono spesso supera i limiti della comprensione umana. È il caso delle galassie di piccola massa, galassie una frazione delle dimensioni della nostra Via Lattea.

Questi piccoli, deboli sistemi composti da milioni o miliardi di stelle, polvere, e il gas costituiscono il tipo di galassia più comune osservato nell'universo. Ma secondo i modelli più avanzati degli astrofisici, le galassie di piccola massa dovrebbero contenere molte più stelle di quante sembrino contenere.

Una teoria principale per questa discrepanza dipende dai flussi di gas simili a fontane osservati in uscita da alcune galassie. Questi deflussi sono guidati dalla vita e dalla morte delle stelle, in particolare i venti stellari e le esplosioni di supernova, che collettivamente danno luogo a un fenomeno noto come "vento galattico". Poiché l'attività stellare espelle gas nello spazio intergalattico, le galassie perdono materia prima preziosa per creare nuove stelle. La fisica e le forze in gioco durante questo processo, però, rimangono qualcosa di misterioso.

Per capire meglio come il vento galattico influenza la formazione stellare nelle galassie, un team di due persone guidato dall'Università della California, Santa Cruz, si è rivolto al calcolo ad alte prestazioni presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) situata presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del DOE. Nello specifico, Brant Robertson, astrofisico dell'Università di Santa Cruz, e Evan Schneider, studente laureato dell'Università dell'Arizona (ora Hubble Fellow all'Università di Princeton), hanno scalato il loro codice idrodinamico Cholla sul supercomputer Cray XK7 Titan dell'OLCF per creare simulazioni altamente dettagliate del vento galattico.

"Il processo di generazione dei venti galattici è qualcosa che richiede una risoluzione squisita su un grande volume per essere compreso, una risoluzione molto migliore rispetto ad altre simulazioni cosmologiche che modellano popolazioni di galassie, " ha detto Robertson. "Questo è qualcosa per cui hai davvero bisogno di una macchina come Titan".

Dopo aver guadagnato un'allocazione su Titan attraverso il programma INCITE di DOE, Robertson e Schneider hanno iniziato in piccolo, simulando un caldo, Il vento guidato da una supernova si scontra con una fredda nube di gas attraverso 300 anni luce di spazio. (Un anno luce è uguale alla distanza percorsa dalla luce in 1 anno.) I risultati hanno permesso al team di escludere un potenziale meccanismo del vento galattico.

Ora la squadra punta più in alto, con l'obiettivo di generare quasi un trilione di celle di simulazione di un'intera galassia, che sarebbe la più grande simulazione di una galassia di sempre. Oltre a battere i record, Robertson e Schneider stanno cercando di scoprire nuovi dettagli sul vento galattico e le forze che regolano le galassie, intuizioni che potrebbero migliorare la nostra comprensione delle galassie di piccola massa, materia oscura, e l'evoluzione dell'universo.

Simulazione di nuvole fredde

A circa 12 milioni di anni luce dalla Terra risiede uno dei vicini più prossimi della Via Lattea, una galassia a disco chiamata Messier 82 (M82). Più piccolo della Via Lattea, La forma a sigaro di M82 sottolinea una personalità volatile. La galassia produce nuove stelle circa cinque volte più velocemente del tasso di produzione stellare della nostra galassia. Questa frenesia di creazione di stelle dà origine al vento galattico che spinge fuori più gas di quanto il sistema ne trattiene, portando gli astronomi a stimare che M82 esaurirà il carburante in soli 8 milioni di anni.

Analizzando le immagini del telescopio spaziale Hubble della NASA, gli scienziati possono osservare questo esodo in lento sviluppo di gas e polvere. I dati raccolti da tali osservazioni possono aiutare Robertson e Schneider a valutare se sono sulla strada giusta durante la simulazione del vento galattico.

"Con galassie come M82, vedi un sacco di materiale freddo a grande raggio che scorre molto velocemente. volevamo vedere, se prendessi una nuvola realistica di gas freddo e la colpissi con una calda, che scorre veloce, deflusso guidato da supernova, se potessi accelerare quel materiale freddo a velocità come quelle che si osservano, " ha detto Robertson.

Rispondere a questa domanda in alta risoluzione richiedeva un codice efficiente che potesse risolvere il problema basato sulla fisica ben nota, come il moto dei liquidi. Robertson e Schneider hanno sviluppato Cholla per eseguire calcoli idrodinamici interamente su GPU, acceleratori altamente parallelizzati che eccellono nella semplice elaborazione di numeri, ottenendo così risultati ad alta risoluzione.

In Titano, a 27-petaflop system containing more than 18, 000 GPU, 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. Per di più, 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, però, 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."