Cuando los astrónomos observan el universo, lo que ven a menudo excede los límites de la comprensión humana. Tal es el caso de las galaxias de baja masa, galaxias una fracción del tamaño de nuestra propia Vía Láctea.
Estos pequeños sistemas débiles formados por millones o miles de millones de estrellas, polvo y gas constituyen el tipo de galaxia más común observado en el universo. Pero según los modelos más avanzados de los astrofísicos, las galaxias de baja masa deberían contener muchas más estrellasde lo que parecen contener.
Una teoría líder para esta discrepancia depende de las salidas de gas en forma de fuente observadas que salen de algunas galaxias. Estas salidas son impulsadas por la vida y la muerte de las estrellas, específicamente los vientos estelares y las explosiones de supernovas, que colectivamente dan lugar a un fenómeno conocido como"viento galáctico". A medida que la actividad de la estrella expulsa gas hacia el espacio intergaláctico, las galaxias pierden materia prima preciosa para formar nuevas estrellas. Sin embargo, la física y las fuerzas en juego durante este proceso siguen siendo un misterio.
Para comprender mejor cómo el viento galáctico afecta la formación de estrellas en las galaxias, un equipo de dos personas dirigido por la Universidad de California, Santa Cruz, recurrió a la informática de alto rendimiento en el Centro de Computación de Liderazgo de Oak Ridge OLCF, un Departamento de los EE. UU.Instalaciones de usuarios de la Oficina de Ciencia de Energía DOE ubicadas en el Laboratorio Nacional Oak Ridge ORNL del DOE. Específicamente, el astrofísico de la UC Santa Cruz Brant Robertson y el estudiante graduado de la Universidad de Arizona Evan Schneider ahora miembro del Hubble en la Universidad de Princeton, ampliaron su Chollacódigo hidrodinámico en la supercomputadora Cray XK7 Titan de la OLCF para crear simulaciones muy detalladas del viento galáctico.
"El proceso de generación de vientos galácticos es algo que requiere una resolución exquisita en un gran volumen para comprender, una resolución mucho mejor que otras simulaciones cosmológicas que modelan poblaciones de galaxias", dijo Robertson. "Esto es algo que realmente necesita una máquina comoTitán que hacer "
Después de obtener una asignación en Titán a través del programa INCITE del DOE, Robertson y Schneider comenzaron en pequeño, simulando un viento caliente impulsado por una supernova que colisionó con una nube fría de gas en 300 años luz de espacio. Un año luz equivale a la distancia que recorre la luzen 1 año. Los resultados permitieron al equipo descartar un mecanismo potencial para el viento galáctico.
Ahora el equipo está apuntando más alto, con el objetivo de generar una simulación de casi un billón de células de una galaxia entera, que sería la simulación más grande de una galaxia. Más allá de romper récords, Robertson y Schneider se esfuerzan por descubrir nuevos detalles sobreviento galáctico y las fuerzas que regulan las galaxias, ideas que podrían mejorar nuestra comprensión de las galaxias de baja masa, la materia oscura y la evolución del universo.
Simulando nubes frías
Alrededor de 12 millones de años luz de la Tierra reside en uno de los vecinos más cercanos de la Vía Láctea, una galaxia de disco llamada Messier 82 M82. Más pequeña que la Vía Láctea, la forma del cigarro de M82 subraya una personalidad volátil. La galaxia produce nuevas estrellas aproximadamente cinco vecesmás rápido que la tasa de producción estelar de nuestra propia galaxia. Este frenesí de formación de estrellas da lugar a un viento galáctico que expulsa más gas del que mantiene el sistema, lo que lleva a los astrónomos a estimar que M82 se quedará sin combustible en solo 8 millones de años.
Analizando imágenes del telescopio espacial Hubble de la NASA, los científicos pueden observar este éxodo de gas y polvo de lento desarrollo. Los datos recopilados de tales observaciones pueden ayudar a Robertson y Schneider a medir si están en el camino correcto al simular el viento galáctico.
"Con galaxias como M82, ves una gran cantidad de material frío en un radio grande que fluye muy rápido. Queríamos ver, si tomas una nube realista de gas frío y la golpeas con una supernova caliente y de flujo rápido.impulsado por el flujo de salida, si pudiera acelerar ese material frío a velocidades como las que se observan ", dijo Robertson.
La respuesta a esta pregunta en alta resolución requería un código eficiente que pudiera resolver el problema basado en física bien conocida, como el movimiento de líquidos. Robertson y Schneider desarrollaron Cholla para realizar cálculos hidrodinámicos completamente en GPU, aceleradores altamente paralelos que sobresalencon un simple cálculo de números, logrando así resultados de alta resolución.
En Titán, un sistema de 27 petaflop que contiene más de 18,000 GPU, Cholla encontró su pareja. Después de probar el código en un grupo de GPU en la Universidad de Arizona, Robertson y Schneider compararon a Cholla con dos pequeños premios discrecionales del Director del OLCF antes de permitircódigo suelto bajo INCITE. En las ejecuciones de prueba, el código ha mantenido la escala en más de 16,000 GPU.
"Podemos usar todo Titan", dijo Robertson, "lo cual es sorprendente porque la gran mayoría de la potencia de ese sistema está en las GPU".
El emparejamiento de código y computadora les dio a Robertson y Schneider las herramientas necesarias para producir simulaciones de alta fidelidad de nubes de gas que miden más de 15 años luz de diámetro. Además, el equipo puede hacer zoom en partes de la simulación para estudiar las fases y propiedadesdel viento galáctico en forma aislada. Esta capacidad ayudó al equipo a descartar una teoría que postulaba que las nubes frías cercanas al centro de la galaxia podrían ser expulsadas por el viento rápido y caliente de las supernovas.
"La respuesta es que no es posible", dijo Robertson. "El viento caliente en realidad tritura las nubes y las nubes se cortan y se vuelven muy estrechas. Son como pequeñas cintas que son muy difíciles de empujar"
objetivos galácticos
Habiendo probado las habilidades informáticas de Cholla, Robertson y Schneider ahora están planeando una simulación de galaxia completa de 10 a 20 veces mayor que su esfuerzo anterior. Expandir el tamaño de la simulación permitirá al equipo probar una teoría alternativa para el surgimiento de la galaxiaviento en galaxias de disco como M82. La teoría sugiere que las nubes de gas frío se condensan del flujo de salida caliente a medida que se expanden y se enfrían.
"Eso es algo que se postuló en modelos analíticos pero no se probó en simulación", dijo Robertson. "Debe modelar toda la galaxia para capturar este proceso porque la dinámica de las salidas es tal que necesita una simulación global del disco"
La simulación de galaxia completa probablemente estará compuesta por cientos de miles de millones de células que representan más de 30,000 años luz de espacio. Para cubrir esta extensión, el equipo debe sacrificar la resolución. Sin embargo, puede confiar en sus simulaciones detalladas de nubes de gas parael puente escala e informa la física no resuelta dentro de la simulación más amplia.
"Eso es lo interesante de hacer estas simulaciones a escalas muy diferentes", dijo Robertson. "Podemos calibrar después del hecho para informarnos sobre cómo podríamos estar equivocando la historia con la simulación más gruesa y más grande".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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