Les premiers astronomes ont minutieusement étudié les mouvements subtils des étoiles dans le ciel nocturne pour essayer de déterminer comment notre planète se déplace par rapport aux autres corps célestes. Au fur et à mesure que la technologie s'est développée, il en va de même de la compréhension du fonctionnement de l'univers et de notre position relative au sein de celui-ci.

Ce qui reste un mystère, cependant, est une compréhension plus détaillée de la façon dont les étoiles et les planètes se sont formées en premier lieu. Les astrophysiciens et les cosmologues comprennent que le mouvement des matériaux à travers le milieu interstellaire (ISM) a aidé à former des planètes et des étoiles, mais comment ce mélange complexe de gaz et de poussière - le carburant de la formation des étoiles - se déplace à travers l'univers est encore plus mystérieux.

Pour mieux comprendre ce mystère, les chercheurs se sont tournés vers la puissance du calcul haute performance (HPC) pour développer des recréations à haute résolution de phénomènes dans la galaxie. Tout comme plusieurs défis terrestres dans la recherche en ingénierie et en dynamique des fluides, les astrophysiciens se concentrent sur le développement d'une meilleure compréhension du rôle de la turbulence dans la formation de notre univers.

Au cours des dernières années, une collaboration multi-institutions dirigée par le professeur agrégé de l'Université nationale australienne Christoph Federrath et le professeur de l'Université de Heidelberg Ralf Klessen a utilisé les ressources HPC du Leibniz Supercomputing Center (LRZ) à Garching près de Munich pour étudier l'influence de la turbulence sur la formation des galaxies. L'équipe a récemment révélé la soi-disant "échelle sonique" de la turbulence astrophysique, marquant la transition des vitesses supersoniques aux vitesses subsoniques (plus rapide ou plus lente que la vitesse du son, respectivement) - créant ainsi la plus grande simulation de turbulence supersonique jamais réalisée. L'équipe a publié ses recherches dans Astronomie de la nature .

Plusieurs échelles dans une simulation

Pour simuler la turbulence dans leurs recherches, Federrath et ses collaborateurs avaient besoin de résoudre les équations complexes de la dynamique des gaz représentant une grande variété d'échelles. Spécifiquement, l'équipe avait besoin de simuler une dynamique turbulente des deux côtés de l'échelle sonique dans le complexe, mélange gazeux traversant l'ISM. Cela signifiait avoir une simulation suffisamment grande pour capturer ces phénomènes à grande échelle se produisant plus rapidement que la vitesse du son, tout en faisant avancer la simulation lentement et avec suffisamment de détails pour modéliser avec précision les plus petits, dynamique plus lente ayant lieu à des vitesses subsoniques.

"Les écoulements turbulents ne se produisent qu'à des échelles éloignées de la source d'énergie qui entraîne à grande échelle, et aussi loin de ce qu'on appelle la dissipation (où l'énergie cinétique de la turbulence se transforme en chaleur) à petite échelle", a déclaré Federrath. "Pour notre simulation particulière, dans lequel nous voulons résoudre à la fois la cascade de turbulence supersonique et subsonique avec l'échelle sonique entre les deux, cela nécessite au moins quatre ordres de grandeur dans les échelles spatiales pour être résolu. »

En plus de l'échelle, la complexité des simulations est un autre défi informatique majeur. Alors que la turbulence sur Terre est l'un des derniers grands mystères non résolus de la physique, les chercheurs qui étudient la turbulence terrestre ont un avantage majeur :la majorité de ces fluides sont incompressibles ou seulement légèrement compressibles, ce qui signifie que la densité des fluides terrestres reste presque constante. A l'ISM, bien que, le mélange gazeux des éléments est hautement compressible, ce qui signifie que les chercheurs doivent non seulement tenir compte de la large gamme d'échelles qui influence la turbulence, ils doivent également résoudre des équations tout au long de la simulation pour connaître la densité des gaz avant de continuer.

Comprendre l'influence que joue la densité proche de l'échelle sonore dans la formation des étoiles est important pour Federrath et ses collaborateurs, parce que les théories modernes de la formation d'étoiles suggèrent que l'échelle sonique elle-même sert de "zone Boucle d'or" pour la formation d'étoiles. Les astrophysiciens utilisent depuis longtemps des termes similaires pour expliquer comment la proximité d'une planète avec une étoile détermine sa capacité à héberger la vie, mais pour la formation des étoiles elle-même, l'échelle sonore établit un équilibre entre les forces de turbulence et de gravité, créant les conditions pour que les étoiles se forment plus facilement. Les échelles plus grandes que l'échelle sonique ont tendance à avoir trop de turbulences, conduisant à la formation d'étoiles clairsemées, tandis qu'en plus petit, régions subsoniques, la gravité l'emporte et conduit à la formation d'amas localisés d'étoiles.

Afin de simuler avec précision l'échelle sonore et les échelles supersonique et subsonique de chaque côté, l'équipe a travaillé avec LRZ pour étendre son application à plus de 65, 000 cœurs de calcul sur le système SuperMUC HPC. Le fait d'avoir autant de cœurs de calcul disponibles a permis à l'équipe de créer une simulation avec plus de 1 000 milliards d'éléments de résolution, ce qui en fait la plus grande simulation de ce genre jamais réalisée.

"Avec cette simulation, nous avons pu résoudre l'échelle sonore pour la première fois, " Federrath a déclaré. "Nous avons trouvé que son emplacement était proche des prédictions théoriques, mais avec certaines modifications qui, espérons-le, mèneront à des modèles de formation d'étoiles plus raffinés et à des prédictions plus précises des taux de formation d'étoiles des nuages ​​moléculaires dans l'univers. La formation des étoiles alimente l'évolution des galaxies à grande échelle et définit les conditions initiales de la formation des planètes à petite échelle, et la turbulence joue un grand rôle dans tout cela. Nous espérons à terme que cette simulation fera progresser notre compréhension des différents types de turbulences sur Terre et dans l'espace."

Collaborations cosmologiques et avancées informatiques

Alors que l'équipe est fière de sa simulation record, il porte déjà son attention sur l'ajout de plus de détails dans ses simulations, menant à une image encore plus précise de la formation des étoiles. Federrath a indiqué que l'équipe prévoyait de commencer à incorporer les effets des champs magnétiques sur la simulation, conduisant à une augmentation substantielle de la mémoire pour une simulation qui nécessite déjà une mémoire et une puissance de calcul importantes ainsi que plusieurs pétaoctets de stockage - la simulation actuelle nécessite 131 téraoctets de mémoire et 23 téraoctets d'espace disque par instantané, avec toute la simulation composée de plus de 100 instantanés.

Depuis qu'il préparait son doctorat à l'Université de Heidelberg, Federrath a collaboré avec le personnel de l'AstroLab de LRZ pour l'aider à mettre à l'échelle ses simulations afin de tirer pleinement parti des systèmes HPC modernes. L'exécution de la plus grande simulation de ce type jamais réalisée sert à valider les mérites de cette collaboration de longue date. Au cours de cette période, Federrath a travaillé en étroite collaboration avec le Dr Luigi Iapichino de LRZ, Responsable de l'AstroLab de LRZ, qui était co-auteur de la Astronomie de la nature publication.

« Je vois notre mission comme étant l'interface entre la complexité toujours croissante des architectures HPC, qui est un fardeau pour les développeurs d'applications, et les scientifiques, qui n'ont pas toujours les bonnes compétences pour utiliser les ressources HPC de la manière la plus efficace, " dit Iapichino. " De ce point de vue, collaborer avec Christoph était assez simple car il est très doué en programmation pour les performances HPC. Je suis heureux que dans ce genre de collaborations, les spécialistes des applications sont souvent des partenaires à part entière des chercheurs, car il met l'accent sur le rôle clé que le personnel des centres joue dans le cadre évolutif du CHP."