p Quando os astrônomos perscrutam o universo, o que eles veem frequentemente excede os limites da compreensão humana. Esse é o caso das galáxias de baixa massa - galáxias com uma fração do tamanho de nossa Via Láctea. p Estes pequenos, sistemas fracos feitos de milhões ou bilhões de estrelas, pó, e o gás constitui o tipo de galáxia mais comum observado no universo. Mas de acordo com os modelos mais avançados dos astrofísicos, galáxias de baixa massa devem conter muito mais estrelas do que parecem conter.

p Uma das principais teorias para essa discrepância depende dos fluxos de gás semelhantes a fontes observados saindo de algumas galáxias. Essas saídas são impulsionadas pela vida e morte das estrelas, especificamente ventos estelares e explosões de supernovas, que coletivamente dão origem a um fenômeno conhecido como "vento galáctico". À medida que a atividade estelar expele gás para o espaço intergaláctico, galáxias perdem matéria-prima preciosa para fazer novas estrelas. A física e as forças em jogo durante este processo, Contudo, permanecem um mistério.

p Para entender melhor como o vento galáctico afeta a formação de estrelas nas galáxias, uma equipe de duas pessoas liderada pela Universidade da Califórnia, Santa Cruz, voltou-se para a computação de alto desempenho no Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), um Centro de Usuários do Escritório de Ciências do Departamento de Energia dos EUA (DOE) localizado no Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) do DOE. Especificamente, O astrofísico Brant Robertson da UC Santa Cruz e o estudante Evan Schneider da University of Arizona (agora um Hubble Fellow na Princeton University), ampliou seu código de hidrodinâmica Cholla no supercomputador Cray XK7 Titan da OLCF para criar simulações altamente detalhadas do vento galáctico.

p "O processo de geração de ventos galácticos é algo que requer uma resolução requintada em um grande volume para ser compreendido - resolução muito melhor do que outras simulações cosmológicas que modelam populações de galáxias, "Robertson disse." Isso é algo que você realmente precisa de uma máquina como a Titan para fazer. "

p Depois de ganhar uma alocação no Titan por meio do programa INCITE do DOE, Robertson e Schneider começaram pequenos, simulando uma gostosa, vento impulsionado por supernova colidindo com uma nuvem fria de gás em 300 anos-luz de espaço. (Um ano-luz é igual à distância que a luz percorre em 1 ano.) Os resultados permitiram à equipe descartar um mecanismo potencial para o vento galáctico.

p Agora a equipe está mirando mais alto, com o objetivo de gerar uma simulação de quase um trilhão de células de uma galáxia inteira, que seria a maior simulação de uma galáxia de todos os tempos. Além de quebrar recordes, Robertson e Schneider estão se esforçando para descobrir novos detalhes sobre o vento galáctico e as forças que regulam as galáxias, percepções que podem melhorar nossa compreensão de galáxias de baixa massa, matéria escura, e a evolução do universo.

p Simulando nuvens frias

p A cerca de 12 milhões de anos-luz da Terra reside um dos vizinhos mais próximos da Via Láctea, uma galáxia em disco chamada Messier 82 (M82). Menor que a Via Láctea, A forma de charuto do M82 ressalta uma personalidade volátil. A galáxia produz novas estrelas cerca de cinco vezes mais rápido do que a taxa de produção de estrelas de nossa própria galáxia. Este frenesi de formação de estrelas dá origem ao vento galáctico que empurra mais gás do que o sistema mantém, os principais astrônomos estimam que o M82 ficará sem combustível em apenas 8 milhões de anos.

p Analisando imagens do telescópio espacial Hubble da NASA, os cientistas podem observar esse êxodo de gás e poeira que se desenvolve lentamente. Os dados coletados dessas observações podem ajudar Robertson e Schneider a avaliar se estão no caminho certo ao simular o vento galáctico.

p "Com galáxias como M82, você vê muito material frio em um grande raio que está fluindo muito rápido. Queríamos ver, se você pegasse uma nuvem realista de gás frio e a atingisse com um jato quente, fluindo rápido, fluxo de saída impulsionado por supernova, se você pudesse acelerar esse material frio a velocidades como as que são observadas, "Robertson disse.

p Responder a esta pergunta em alta resolução exigia um código eficiente que pudesse resolver o problema com base em física bem conhecida, como o movimento de líquidos. Robertson e Schneider desenvolveram o Cholla para realizar cálculos hidrodinâmicos inteiramente em GPUs, aceleradores altamente paralelizados que se destacam em processamento de números simples, alcançando assim resultados de alta resolução.

p Em Titan, um sistema de 27 petaflop contendo mais de 18, 000 GPUs, Cholla encontrou seu par. Depois de testar o código em um cluster de GPU na Universidade do 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.

p "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."

p 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. Além disso, 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.

p "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."

p Galactic goals

p 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.

p "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."

p 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, Contudo, to bridge scales and inform unresolved physics within the larger simulation.

p "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."