شبیه سازی بادهای کیهانی

این سامانه های کوچک و ضعیف، از میلیون ها و یا میلیاردها ستاره، گاز و غبار تشکیل شده اند که نوع غالب کهکشان های رصد شده را در جهان تشکیل داده اند. اما با توجه به پیشرفته ترین مدل های اخترفیزیک، کهکشان های کم جرم باید دارای ستاره های بیشتری نسبت به آنچه در ظاهر دیده می شوند، باشند. یک نظریه پیشرو برای این تناقض، به جریان های خروجی گاز رصد شده از بعضی کهکشان ها اشاره می کند. این جریان های خروجی با مرگ و زندگی ستارگان درهم آمیخته، به خصوص بادهای ستاره ای و انفجارهای ابرنواختری که به طور کلی منجر به پدیده ای به نام «بادهای کهکشانی» می شود. از آنجایی که فعالیت ستاره ای، گاز را به فضای بین کهکشانی می راند، کهکشان ها مواد اولیه گران بها برای ایجاد ستاره های جدید را از دست می دهند. با این وجود فیزیک و نیروها در طی این فرآیند، به صورت راز باقی می مانند.

برای درک بهتر چگونگی تأثیر بادهای کهکشانی بر شکل گیری ستارگان در کهکشان ها، یک تیم دو نفره به رهبری دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز، منجر به محاسبات با کارایی بالا در تأسیسات محاسباتی  اوک ریج (OLCF) سازمان انرژی ایالات متحده در دفتر تسهیلات علمی واقع در آزمایشگاه ملی شد. برنت رابرتسون، اخترفیزیکدان دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز و ایوان اشنایدر، فارغ التحصیل دانشگاه آریزونا (در حال حاضر همکار در پروژه هابل دانشگاه پرینستون)، کد هیدرودینامیکی Cholla را در ابر رایانه Cray XK Titan، برای ایجاد شبیه سازی بسیار دقیق مدل جمعیتی کهکشان ها مقیاس سنجی کردند.

ابر رایانه Cray XK Titan

رابرتسون گفت: «فرآیند تولید بادهای کهکشانی چیزی است که نیاز به وضوح عالی نسبت به حجم بزرگی از ادارک دارد، بسیار بالاتر از وضوح شبیه سازی های کیهانی از مدل جمعیتی کهکشان ها. این چیزی است که واقعا برای انجام آن به ماشینی مانند تایتان نیاز است.»

 بعد از تخصیص تایتان از طریق برنامه INCITE سازمان انرژی، رابرتسون و اشنایدر شبیه سازی کوچک برخورد بادهای داغ ابرنواختری را با ابر و گاز سرد در فاصله ۳۰۰ سال نوری شروع کردند. نتایج به تیم اجازه خواهد داد که یک مکانیزم بالقوه را برای باد کهکشانی رد کنند.

در حال حاضر، تیم، اهداف خود را بالاتر قرار داده و به دنبال شبیه سازی یک تریلیون سلولی از کل کهکشان است که بزرگترین شبیه سازی از یک کهکشان خواهد بود. علاوه بر جابجایی رکورد، رابرتسون و اشنایدر برای کشف جزئیات جدید درباره باد کهکشانی و نیروهایی که کهکشان ها را به این شکل در می آورند، تلاش می کنند نگرشی که می تواند درک ما را از کهکشان های کم جرم، ماده تاریک و تکامل جهان بهبود ببخشد بیابند.

شبیه سازی ابرهای سرد

تقریبا در فاصله ۱۲ میلیون سال نوری از زمین، یکی از نزدیکترین همسایه های راه شیری قرار دارد، کهکشان دیسکی به نام M82.  این کهکشان کوچک  با شکل سیگار مانند، شخصیت بی نظیری را برجسته می کند. این کهکشان، ستارگان جدید را ۵ بار تندتر از روند شکل گیری ستارگان در کهکشان ما تولید می کند. این تولید ستارگان به صورت دیوانه وار، بادهای کهکشانی را به وجود می آورد که گازهایی بیشتر از آنچه نگه می دارد را به بیرون می راند. ستاره شناسان پیش بینی می کنند که M82 تا ۸ میلیون سال دیگر سوختش را از دست خواهد داد.

دانشمندان با تحلیل تصاویر تلسکوپ فضایی هابل می توانند این خروج با رشد آهسته گاز و غبار را مشاهده کنند. داده های جمع آوری شده از چنین مشاهداتی می تواند به رابرتسون و اشنایدر کمک کند تا در هنگام شبیه سازی بادهای کیهانی در مسیر درست باقی بمانند.

رابرتسون گفت: «با کهکشان هایی مثل M82 می توانید مقدار زیادی مواد سرد را در شعاع بزرگی ببینید که بسیار سریع جریان می یابند. می خواستیم ببینیم که اگر بتوانیم مواد سرد را به سرعت مانند آنچه مشاهده شد سرعت ببخشیم، یک ابر از گاز سرد با جریان داغ و تند خروجی از ابرنواختر، داغ می شود.»

پاسخ دادن به این سوال با وضوح بالا نیاز به یک کد کارآمد دارد که می تواند مسئله را بر اساس فیزیک شناخته شده مانند حرکت مایعات، حل کند. رابرتسون و اشنایدر Cholla  را توسعه دادند تا محاسبات هیدرولیکی را به طور کامل بر روی پردازنده های گرافیکی با شتاب دهنده های موازی انجام دهند. در نتیجه، نتایج با وضوح بالا را بدست می آورند.

در تایتان یک سیستم 27-Petaflop شامل 18000 GPU است، Cholla همتای خود را پیدا کرد. کد بر روی این سیستم تست شد. در زمان اجرای تست، کد در بیش از 16000 GPU به مقیاس حفظ شده است.

رابرتسون گفت: «ما می توانیم از همه توان تایتان استفاده کنیم که شگفت انگیز است. زیرا بیشتر قدرت این سیستم در پردازنده گرافیکی آن قرار دارد.»

جفت کردن کد و کامپیوتر به رابرتسون و اشنایدر، ابزارهای مورد نیاز برای ایجاد شبیه سازی وضوح بالا از ابرهای گاز با قطر ۱۵سال نوری را ارائه داد.

علاوه بر این، تیم می تواند در بخش هایی از شبیه سازی بزرگنمایی کند تا بتواند بر روی فازها و مشخصات بادهای کهکشانی به صورت تک به تک مطالعه کند. این توانایی به تیم کمک کرد تا نظریه ای ارائه دهند که بر اساس آن ابرهای سرد در نزدیکی مرکز کهکشان با جریان سریع و داغ، بادهای کهکشانی از ابرنواختر خارج می گردد.

رابرتسون گفت: «پاسخ این است که امکان پذیر نیست. بادهای داغ در واقع ابرها را تکه تکه کرده و در هم می شکند و باریک می شوند. آنها مانند روبان های کوچکی هستند که سخت است تحت فشار قرار گیرند.»

هدف های کهکشانی

پس از محاسبه Cholla، رابرتسون و اشنایدر در حال برنامه ریزی برای شبیه سازی کامل ۱۰ تا ۲۰ برابر بزرگتر از تلاش قبلی خود هستند. گسترش اندازه این شبیه سازی به تیم اجازه خواهد داد که نظریه متناوب برای پدید آمدن باد کهکشانی را در کهکشان های دیسکی مانند M82 آزمایش کنند.

این نظریه نشان می دهد، ابرهای گاز سرد که در جریان داغ گسترش می یابند، سرد و چگال می شوند.

رابرتسون گفت: «این چیزی است که در مدل های تحلیلی مطرح شده است اما در شبیه سازی انجام نشده است. شما باید مدل کل کهکشان را برای گرفتن این فرآیند بدست آورید؛ زیرا پویایی خروجی ها به گونه ای است که نیاز به شبیه سازی سراسری از دیسک دارد.

شبیه سازی کامل کهکشان احتمالا از صدها میلیارد سلول تشکیل شده است که بیش از ۳۰۰۰۰ سال نوری از فضا را پوشش می دهد. برای پوشش این گستره، تیم باید وضوح بالا را قربانی کند و آن بستگی به داده های شبیه سازی ابرهای گاز دارد.

رابرتسون گفت: «این همان چیزی است که در مورد انجام این شبیه سازی ها در گستره مقیاس های مختلف وجود دارد. بعد از یک شبیه سازی بزرگتر چقدر می توانیم خود را آگاه کنیم تا در مسیر درست نباشیم.»

منبع:‌phys.org