I primi astronomi hanno studiato scrupolosamente i sottili movimenti delle stelle nel cielo notturno per cercare di determinare come si muove il nostro pianeta in relazione ad altri corpi celesti. Poiché la tecnologia è aumentata, lo stesso vale per la comprensione di come funziona l'universo e della nostra posizione relativa al suo interno.

Ciò che rimane un mistero, però, è una comprensione più dettagliata di come si sono formati stelle e pianeti in primo luogo. Astrofisici e cosmologi comprendono che il movimento dei materiali attraverso il mezzo interstellare (ISM) ha aiutato a formare pianeti e stelle, ma il modo in cui questa complessa miscela di gas e polvere, il carburante per la formazione stellare, si muove attraverso l'universo è ancora più misterioso.

Per aiutare a comprendere meglio questo mistero, i ricercatori si sono rivolti alla potenza del calcolo ad alte prestazioni (HPC) per sviluppare ricreazioni ad alta risoluzione dei fenomeni nella galassia. Proprio come molte sfide terrestri nella ricerca ingegneristica e fluidodinamica, gli astrofisici sono concentrati sullo sviluppo di una migliore comprensione del ruolo della turbolenza nell'aiutare a modellare il nostro universo.

Negli ultimi anni, una collaborazione multi-istituzionale guidata dal professore associato della National University australiana Christoph Federrath e dal professor Ralf Klessen dell'Università di Heidelberg ha utilizzato le risorse HPC presso il Leibniz Supercomputing Center (LRZ) a Garching, vicino a Monaco, per studiare l'influenza della turbolenza sulla formazione delle galassie. Il team ha recentemente rivelato la cosiddetta "scala sonora" della turbolenza astrofisica, che segna il passaggio dalla velocità supersonica a quella subsonica (più veloce o più lenta della velocità del suono, rispettivamente), creando la più grande simulazione di turbolenza supersonica nel processo. Il team ha pubblicato la sua ricerca in Astronomia della natura .

Molte scale in una simulazione

Per simulare la turbolenza nella loro ricerca, Federrath ei suoi collaboratori avevano bisogno di risolvere le complesse equazioni della dinamica dei gas che rappresentano un'ampia varietà di scale. Nello specifico, il team aveva bisogno di simulare dinamiche turbolente su entrambi i lati della scala sonora nel complesso, miscela gassosa che attraversa l'ISM. Ciò significava avere una simulazione sufficientemente ampia per catturare questi fenomeni su larga scala che si verificano più velocemente della velocità del suono, mentre fa avanzare la simulazione lentamente e con dettagli sufficienti per modellare accuratamente il più piccolo, dinamiche più lente che avvengono a velocità subsoniche.

"I flussi turbolenti si verificano solo su scale lontane dalla fonte di energia che guida su larga scala, e anche lontano dalla cosiddetta dissipazione (dove l'energia cinetica della turbolenza si trasforma in calore) su piccola scala" ha detto Federrath. "Per la nostra particolare simulazione, in cui vogliamo risolvere sia la cascata di turbolenza supersonica che quella subsonica con la scala sonica in mezzo, ciò richiede almeno quattro ordini di grandezza in scale spaziali per essere risolti."

Oltre alla scala, la complessità delle simulazioni è un'altra grande sfida computazionale. Mentre la turbolenza sulla Terra è uno degli ultimi grandi misteri irrisolti della fisica, i ricercatori che stanno studiando la turbolenza terrestre hanno un grande vantaggio:la maggior parte di questi fluidi è incomprimibile o solo leggermente comprimibile, il che significa che la densità dei fluidi terrestri rimane quasi costante. Nell'ISM, anche se, la miscela gassosa degli elementi è altamente comprimibile, il che significa che i ricercatori non devono solo tenere conto dell'ampia gamma di scale che influenza la turbolenza, devono anche risolvere equazioni durante la simulazione per conoscere la densità dei gas prima di procedere.

Comprendere l'influenza che la densità vicino alla scala sonora gioca nella formazione stellare è importante per Federrath e i suoi collaboratori, perché le moderne teorie sulla formazione stellare suggeriscono che la stessa scala sonora funge da "zona di Riccioli d'Oro" per la formazione stellare. Gli astrofisici hanno a lungo usato termini simili per discutere di come la vicinanza di un pianeta a una stella determina la sua capacità di ospitare la vita, ma per la stessa formazione stellare, la scala sonica trova un equilibrio tra le forze di turbolenza e gravità, creando le condizioni affinché le stelle si formino più facilmente. Le scale più grandi della scala sonora tendono ad avere troppa turbolenza, che porta alla formazione stellare sparsa, mentre in più piccolo, regioni subsoniche, la gravità vince la giornata e porta alla formazione di ammassi di stelle localizzati.

Per simulare accuratamente la scala sonica e le scale supersoniche e subsoniche su entrambi i lati, il team ha lavorato con LRZ per portare la sua applicazione a più di 65, 000 core di calcolo sul sistema SuperMUC HPC. La disponibilità di così tanti core di calcolo ha consentito al team di creare una simulazione con più di 1 trilione di elementi di risoluzione, rendendolo la simulazione più grande di sempre nel suo genere.

"Con questa simulazione, siamo stati in grado di risolvere la scala sonora per la prima volta, " ha detto Federrath. "Abbiamo scoperto che la sua posizione era vicina alle previsioni teoriche, ma con alcune modifiche che, si spera, porteranno a modelli di formazione stellare più raffinati e previsioni più accurate dei tassi di formazione stellare delle nubi molecolari nell'universo. La formazione delle stelle alimenta l'evoluzione delle galassie su larga scala e pone le condizioni iniziali per la formazione dei pianeti su piccola scala, e la turbolenza sta giocando un ruolo importante in tutto questo. In definitiva, speriamo che questa simulazione faccia avanzare la nostra comprensione dei diversi tipi di turbolenza sulla Terra e nello spazio".

Collaborazioni cosmologiche e progressi computazionali

Mentre il team è orgoglioso della sua simulazione da record, sta già rivolgendo la sua attenzione all'aggiunta di ulteriori dettagli nelle sue simulazioni, conducendo verso un'immagine ancora più accurata della formazione stellare. Federrath ha indicato che il team ha pianificato di iniziare a incorporare gli effetti dei campi magnetici sulla simulazione, portando a un sostanziale aumento della memoria per una simulazione che richiede già memoria e potenza di calcolo significative, nonché più petabyte di spazio di archiviazione:la simulazione attuale richiede 131 terabyte di memoria e 23 terabyte di spazio su disco per snapshot, con l'intera simulazione composta da più di 100 istantanee.

Dal momento che stava lavorando al suo dottorato presso l'Università di Heidelberg, Federrath ha collaborato con lo staff dell'AstroLab di LRZ per aiutare a scalare le sue simulazioni per sfruttare appieno i moderni sistemi HPC. L'esecuzione della più grande simulazione di questo tipo serve come convalida dei meriti di questa collaborazione di lunga data. Durante questo periodo, Federrath ha lavorato a stretto contatto con il Dott. Luigi Iapichino di LRZ, Responsabile dell'AstroLab di LRZ, che è stato coautore del Astronomia della natura pubblicazione.

"Vedo la nostra missione come l'interfaccia tra la complessità sempre crescente delle architetture HPC, che è un onere per gli sviluppatori di applicazioni, e gli scienziati, che non sempre dispongono delle giuste competenze per utilizzare le risorse HPC nel modo più efficace, — disse Iapichino. — Da questo punto di vista, collaborare con Christoph è stato abbastanza semplice perché è molto abile nella programmazione per le prestazioni HPC. Sono contento che in questo tipo di collaborazioni, gli specialisti delle applicazioni sono spesso partner a pieno titolo di ricercatori, perché sottolinea il ruolo chiave svolto dal personale dei centri nell'evoluzione del quadro HPC."