p Os primeiros astrônomos estudaram meticulosamente os movimentos sutis das estrelas no céu noturno para tentar determinar como nosso planeta se move em relação a outros corpos celestes. Com o aumento da tecnologia, o mesmo acontece com a compreensão de como o universo funciona e nossa posição relativa dentro dele. p O que permanece um mistério, Contudo, é uma compreensão mais detalhada de como as estrelas e planetas se formaram em primeiro lugar. Astrofísicos e cosmologistas entendem que o movimento de materiais através do meio interestelar (ISM) ajudou a formar planetas e estrelas, mas como essa mistura complexa de gás e poeira - o combustível para a formação de estrelas - se move pelo universo é ainda mais misterioso.

p Para ajudar a entender melhor este mistério, pesquisadores recorreram ao poder da computação de alto desempenho (HPC) para desenvolver recriações de alta resolução de fenômenos na galáxia. Assim como vários desafios terrestres na pesquisa de engenharia e dinâmica de fluidos, os astrofísicos estão focados em desenvolver uma melhor compreensão do papel da turbulência em ajudar a moldar nosso universo.

p Nos últimos anos, uma colaboração multi-institucional liderada pelo professor associado da Australian National University Christoph Federrath e o professor da Heidelberg University Ralf Klessen tem usado recursos HPC no Leibniz Supercomputing Center (LRZ) em Garching perto de Munique para estudar a influência da turbulência na formação da galáxia. A equipe revelou recentemente a chamada "escala sônica" da turbulência astrofísica - marcando a transição da velocidade supersônica para a subsônica (mais rápida ou mais lenta do que a velocidade do som, respectivamente) - criando a maior simulação de turbulência supersônica de todos os tempos no processo. A equipe publicou sua pesquisa em Astronomia da Natureza .

p Muitas escalas em uma simulação

p Para simular turbulência em suas pesquisas, Federrath e seus colaboradores precisavam resolver as complexas equações da dinâmica dos gases que representam uma ampla variedade de escalas. Especificamente, a equipe precisava simular dinâmicas turbulentas em ambos os lados da escala sônica do complexo, mistura gasosa viajando através do ISM. Isso significava ter uma simulação suficientemente grande para capturar esses fenômenos em grande escala acontecendo mais rápido do que a velocidade do som, ao mesmo tempo que avança a simulação lentamente e com detalhes suficientes para modelar com precisão o menor, dinâmica mais lenta ocorrendo em velocidades subsônicas.

p "Fluxos turbulentos ocorrem apenas em escalas distantes da fonte de energia que impulsiona em grandes escalas, e também longe da chamada dissipação (onde a energia cinética da turbulência se transforma em calor) em pequenas escalas ", disse Federrath." Para nossa simulação particular, em que queremos resolver a cascata supersônica e subsônica de turbulência com a escala sônica no meio, isso requer pelo menos quatro ordens de magnitude em escalas espaciais para ser resolvido. "

p Além da escala, a complexidade das simulações é outro grande desafio computacional. Embora a turbulência na Terra seja um dos últimos grandes mistérios não resolvidos da física, pesquisadores que estão estudando turbulência terrestre têm uma grande vantagem - a maioria desses fluidos são incompressíveis ou apenas ligeiramente compressíveis, o que significa que a densidade dos fluidos terrestres permanece próxima da constante. No ISM, no entanto, a mistura gasosa de elementos é altamente compressível, o que significa que os pesquisadores não precisam apenas levar em conta a grande variedade de escalas que influenciam a turbulência, eles também têm que resolver equações ao longo da simulação para saber a densidade dos gases antes de continuar.

p Compreender a influência que a densidade perto da escala sônica desempenha na formação de estrelas é importante para Federrath e seus colaboradores, porque as teorias modernas de formação de estrelas sugerem que a própria escala sônica serve como uma "zona Cachinhos Dourados" para a formação de estrelas. Os astrofísicos há muito usam termos semelhantes para discutir como a proximidade de um planeta a uma estrela determina sua capacidade de hospedar vida, mas para a própria formação de estrelas, a escala sônica atinge um equilíbrio entre as forças da turbulência e da gravidade, criando as condições para as estrelas se formarem mais facilmente. Escalas maiores que a escala sônica tendem a ter muita turbulência, levando à formação de estrelas esparsas, enquanto em menor, regiões subsônicas, a gravidade ganha o dia e leva à formação de aglomerados localizados de estrelas.

p Para simular com precisão a escala sônica e as escalas supersônica e subsônica em ambos os lados, a equipe trabalhou com o LRZ para escalar sua aplicação para mais de 65, 000 núcleos de computação no sistema SuperMUC HPC. Ter tantos núcleos de computação disponíveis permitiu à equipe criar uma simulação com mais de 1 trilhão de elementos de resolução, tornando-se a maior simulação de seu tipo.

p "Com esta simulação, fomos capazes de resolver a escala sônica pela primeira vez, "Federrath disse." Descobrimos que sua localização estava próxima das previsões teóricas, mas com certas modificações que esperançosamente levarão a modelos de formação estelar mais refinados e previsões mais precisas das taxas de formação estelar de nuvens moleculares no universo. A formação de estrelas impulsiona a evolução das galáxias em grandes escalas e define as condições iniciais para a formação de planetas em pequenas escalas, e a turbulência está desempenhando um grande papel em tudo isso. Em última análise, esperamos que esta simulação aumente nossa compreensão dos diferentes tipos de turbulência na Terra e no espaço. "

p Colaborações cosmológicas e avanços computacionais

p Enquanto a equipe se orgulha de sua simulação recorde, já está voltando sua atenção para adicionar mais detalhes em suas simulações, levando a uma imagem ainda mais precisa da formação de estrelas. Federrath indicou que a equipe planejava começar a incorporar os efeitos dos campos magnéticos na simulação, levando a um aumento substancial na memória para uma simulação que já requer memória significativa e poder de computação, bem como vários petabytes de armazenamento - a simulação atual requer 131 terabytes de memória e 23 terabytes de espaço em disco por instantâneo, com toda a simulação consistindo em mais de 100 instantâneos.

p Desde que ele estava fazendo seu doutorado na Universidade de Heidelberg, Federrath colaborou com a equipe do AstroLab do LRZ para ajudar a dimensionar suas simulações para aproveitar ao máximo os sistemas HPC modernos. Rodar a maior simulação de todos os tempos desse tipo serve como validação dos méritos dessa colaboração de longa duração. Durante este período, Federrath trabalhou em estreita colaboração com o Dr. Luigi Iapichino do LRZ, Chefe do AstroLab do LRZ, que foi co-autor no Astronomia da Natureza publicação.

p "Eu vejo nossa missão como sendo a interface entre a complexidade cada vez maior das arquiteturas HPC, que é um fardo para os desenvolvedores de aplicativos, e os cientistas, que nem sempre tem o conjunto de habilidades certo para usar o recurso HPC da maneira mais eficaz, "Disse Iapichino." Deste ponto de vista, colaborar com Christoph foi bastante simples porque ele é muito hábil em programação para desempenho de HPC. Estou feliz que neste tipo de colaboração, especialistas em aplicativos são frequentemente parceiros de pleno direito de pesquisadores, porque enfatiza o papel fundamental que as equipes dos centros desempenham na estrutura de HPC em evolução. "