Quand les astronomes scrutent l'univers, ce qu'ils voient dépasse souvent les limites de la compréhension humaine. C'est le cas des galaxies de faible masse, des galaxies d'une fraction de la taille de notre propre Voie lactée.

Ces petits, des systèmes faibles constitués de millions ou de milliards d'étoiles, poussière, et le gaz constituent le type de galaxie le plus commun observé dans l'univers. Mais selon les modèles les plus avancés des astrophysiciens, les galaxies de faible masse devraient contenir beaucoup plus d'étoiles qu'elles ne semblent en contenir.

Une théorie majeure de cette divergence repose sur les sorties de gaz en forme de fontaine observées à la sortie de certaines galaxies. Ces sorties sont entraînées par la vie et la mort des étoiles, en particulier les vents stellaires et les explosions de supernova, qui donnent lieu collectivement à un phénomène connu sous le nom de « vent galactique ». Alors que l'activité des étoiles expulse du gaz dans l'espace intergalactique, les galaxies perdent de précieuses matières premières pour fabriquer de nouvelles étoiles. La physique et les forces en jeu au cours de ce processus, cependant, restent quelque chose d'un mystère.

Pour mieux comprendre comment le vent galactique affecte la formation des étoiles dans les galaxies, une équipe de deux personnes dirigée par l'Université de Californie, Santa Cruz, tourné vers le calcul haute performance à l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), une installation d'utilisateurs du bureau des sciences du département américain de l'Énergie (DOE) située au laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du DOE. Spécifiquement, L'astrophysicien de l'UC Santa Cruz Brant Robertson et l'étudiant diplômé de l'Université d'Arizona Evan Schneider (maintenant boursier Hubble à l'Université de Princeton), mis à l'échelle leur code d'hydrodynamique Cholla sur le supercalculateur Cray XK7 Titan de l'OLCF pour créer des simulations très détaillées du vent galactique.

« Le processus de génération de vents galactiques est quelque chose qui nécessite une résolution exquise sur un grand volume pour être compris - une résolution bien meilleure que d'autres simulations cosmologiques qui modélisent les populations de galaxies, " a déclaré Robertson. "C'est quelque chose que vous avez vraiment besoin d'une machine comme Titan pour le faire."

Après avoir gagné une allocation sur Titan via le programme INCITE du DOE, Robertson et Schneider ont commencé petit, simuler un chaud, vent entraîné par une supernova entrant en collision avec un nuage de gaz froid à travers 300 années-lumière d'espace. (Une année-lumière équivaut à la distance parcourue par la lumière en 1 an.) Les résultats ont permis à l'équipe d'exclure un mécanisme potentiel pour le vent galactique.

Maintenant, l'équipe vise plus haut, visant à générer près d'une simulation de mille milliards de cellules d'une galaxie entière, qui serait la plus grande simulation d'une galaxie jamais réalisée. Au-delà de battre des records, Robertson et Schneider s'efforcent de découvrir de nouveaux détails sur le vent galactique et les forces qui régulent les galaxies, des informations qui pourraient améliorer notre compréhension des galaxies de faible masse, matière noire, et l'évolution de l'univers.

Simulation de nuages ​​froids

À environ 12 millions d'années-lumière de la Terre se trouve l'un des voisins les plus proches de la Voie lactée, une galaxie à disque appelée Messier 82 (M82). Plus petit que la Voie Lactée, La forme du cigare du M82 souligne une personnalité volatile. La galaxie produit de nouvelles étoiles environ cinq fois plus vite que le taux de production d'étoiles de notre propre galaxie. Cette frénésie de création d'étoiles donne lieu à un vent galactique qui pousse plus de gaz que le système n'en garde, conduisant les astronomes à estimer que M82 sera à court de carburant dans seulement 8 millions d'années.

L'analyse des images du télescope spatial Hubble de la NASA, les scientifiques peuvent observer cet exode lent de gaz et de poussière. Les données recueillies à partir de telles observations peuvent aider Robertson et Schneider à évaluer s'ils sont sur la bonne voie lors de la simulation du vent galactique.

"Avec des galaxies comme M82, vous voyez beaucoup de matière froide à grand rayon qui s'écoule très rapidement. Nous voulions voir, si vous prenez un nuage réaliste de gaz froid et le frappez avec un chaud, à débit rapide, sortie entraînée par la supernova, si vous pouviez accélérer ce matériau froid à des vitesses comme celles observées, ", a déclaré Robertson.

Répondre à cette question en haute résolution nécessitait un code efficace qui pourrait résoudre le problème basé sur une physique bien connue, comme le mouvement des liquides. Robertson et Schneider ont développé Cholla pour effectuer des calculs hydrodynamiques entièrement sur GPU, des accélérateurs hautement parallélisés qui excellent dans le calcul de chiffres simples, permettant ainsi d'obtenir des résultats haute résolution.

Dans Titan, 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. Par ailleurs, 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, cependant, 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."