Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Một sự hợp tác đa tổ chức đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu động lên sự hình thành thiên hà. Nhóm nghiên cứu gần đây đã tiết lộ cái gọi là ‘quy mô âm thanh’ của nhiễu loạn vật lý thiên văn – đánh dấu sự chuyển đổi từ tốc độ siêu âm sang tốc độ cận âm – tạo ra mô phỏng lớn nhất từ trước đến nay của nhiễu loạn siêu thanh trong quá trình này.
Qua nhiều thế kỷ, các nhà khoa học cũng như những người không phải là nhà khoa học đã nhìn vào bầu trời đêm và cảm thấy hứng thú, hấp dẫn và bí ẩn bao trùm trong khi cân nhắc các câu hỏi về cách vũ trụ của chúng ta hình thành, và nhân loại đã phát triển và lớn mạnh như thế nào ở địa điểm và thời gian chính xác này. Các nhà thiên văn học ban đầu đã nghiên cứu một cách tỉ mỉ những chuyển động tinh vi của các ngôi sao trên bầu trời đêm để thử và xác định cách hành tinh của chúng ta di chuyển trong mối quan hệ với các thiên thể khác. Khi công nghệ ngày càng phát triển, thì sự hiểu biết của chúng ta về cách vũ trụ hoạt động và vị trí tương đối của chúng ta trong đó cũng tăng lên.
Tuy nhiên, điều vẫn còn là một bí ẩn là sự hiểu biết chi tiết hơn về cách các ngôi sao và hành tinh hình thành ngay từ đầu. Các nhà vật lý thiên văn và vũ trụ học hiểu rằng sự chuyển động của các vật chất qua môi trường giữa các vì sao (ISM) đã giúp hình thành các hành tinh và các ngôi sao, nhưng làm thế nào mà hỗn hợp khí và bụi phức tạp này – nhiên liệu để hình thành sao – di chuyển trong vũ trụ còn bí ẩn hơn.
Để giúp hiểu rõ hơn về bí ẩn này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng sức mạnh của máy tính hiệu suất cao (HPC) để phát triển các bản tái tạo có độ phân giải cao về các hiện tượng trong thiên hà. Giống như một số thách thức trên cạn trong nghiên cứu kỹ thuật và động lực học chất lỏng, các nhà vật lý thiên văn tập trung vào việc phát triển sự hiểu biết tốt hơn về vai trò của nhiễu động trong việc giúp hình thành vũ trụ của chúng ta.
Trong vài năm qua, một sự hợp tác đa tổ chức do Phó Giáo sư Đại học Quốc gia Úc Christoph Federrath và Giáo sư Đại học Heidelberg, Ralf Klessen dẫn đầu đã sử dụng tài nguyên HPC tại Trung tâm Siêu máy tính Leibniz (LRZ) ở Garching gần Munich để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu động lên thiên hà sự hình thành. Nhóm nghiên cứu gần đây đã tiết lộ cái gọi là “quy mô âm thanh” của nhiễu loạn vật lý thiên văn – đánh dấu sự chuyển đổi từ tốc độ siêu âm sang tốc độ cận âm (tương ứng nhanh hơn hoặc chậm hơn tốc độ âm thanh) – tạo ra mô phỏng lớn nhất từ trước đến nay của nhiễu loạn siêu thanh trong quá trình. Nhóm đã công bố nghiên cứu của mình trên tạp chí Nature Astronomy .
Nhiều quy mô trong một mô phỏng
Để mô phỏng sự hỗn loạn trong nghiên cứu của họ, Federrath và các cộng sự của ông cần phải giải các phương trình phức tạp của động lực học khí thể hiện nhiều loại quy mô. Cụ thể, nhóm nghiên cứu cần mô phỏng động lực hỗn loạn ở cả hai phía của thang âm trong hỗn hợp khí, phức tạp di chuyển qua ISM. Điều này có nghĩa là phải có một mô phỏng đủ lớn để ghi lại những hiện tượng quy mô lớn này xảy ra nhanh hơn tốc độ âm thanh, đồng thời tiến độ mô phỏng chậm và đủ chi tiết để mô hình hóa chính xác động lực nhỏ hơn, chậm hơn diễn ra ở tốc độ cận âm.
Federrath cho biết: “Dòng chảy hỗn loạn chỉ xảy ra trên các quy mô ở xa nguồn năng lượng truyền động trên quy mô lớn, và cũng ở xa cái gọi là sự tiêu tán (nơi động năng của sự hỗn loạn chuyển thành nhiệt) ở quy mô nhỏ”. “Đối với mô phỏng cụ thể của chúng tôi, trong đó chúng tôi muốn giải quyết cả dòng thác loạn siêu âm và cận âm với thang âm ở giữa, điều này cần ít nhất 4 bậc cường độ trong thang không gian để được giải quyết.”
Ngoài quy mô, độ phức tạp của các mô phỏng là một thách thức tính toán lớn khác. Mặc dù sự hỗn loạn trên Trái đất là một trong những bí ẩn lớn chưa được giải đáp của vật lý học, nhưng các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu sự hỗn loạn trên mặt đất có một lợi thế lớn – phần lớn các chất lỏng này không thể nén được hoặc chỉ nén được ở mức độ nhẹ, có nghĩa là mật độ của chất lỏng trên cạn luôn gần như không đổi . Tuy nhiên trong ISM, hỗn hợp khí của các phần tử có khả năng nén cao, có nghĩa là các nhà nghiên cứu không chỉ phải tính đến phạm vi lớn ảnh hưởng đến sự hỗn loạn, họ còn phải giải các phương trình trong suốt quá trình mô phỏng để biết mật độ của các khí trước khi tiếp tục.
Hiểu được ảnh hưởng mà mật độ gần thang âm đóng vai trò quan trọng đối với Federrath và các cộng sự của ông, bởi vì các lý thuyết hiện đại về sự hình thành sao cho rằng bản thân thang âm đóng vai trò như một “vùng Goldilocks” đối với sự hình thành sao. Các nhà vật lý thiên văn từ lâu đã sử dụng các thuật ngữ tương tự để thảo luận về cách một hành tinh gần một ngôi sao xác định khả năng tồn tại sự sống của nó, nhưng đối với bản thân sự hình thành sao, thang âm tạo ra sự cân bằng giữa lực nhiễu loạn và lực hấp dẫn, tạo điều kiện cho các ngôi sao dễ dàng hơn hình thức. Các quy mô lớn hơn quy mô âm có xu hướng có quá nhiều nhiễu loạn, dẫn đến sự hình thành sao thưa thớt, trong khi ở các vùng nhỏ hơn, cận âm, lực hấp dẫn thắng ngày và dẫn đến hình thành các cụm sao cục bộ.
Để mô phỏng chính xác thang đo âm và các thang siêu âm và cận âm ở hai bên, nhóm đã làm việc với LRZ để mở rộng ứng dụng của nó lên hơn 65.000 lõi máy tính trên hệ thống SuperMUC HPC. Có rất nhiều lõi máy tính có sẵn cho phép nhóm tạo ra một mô phỏng với hơn 1 nghìn tỷ phần tử độ phân giải, khiến nó trở thành mô phỏng lớn nhất từ trước đến nay thuộc loại này.
Federrath cho biết thêm: “Với mô phỏng này, lần đầu tiên chúng tôi có thể phân giải quy mô âm thanh. “Chúng tôi nhận thấy vị trí của nó gần với các dự đoán lý thuyết, nhưng với một số sửa đổi nhất định, hy vọng sẽ dẫn đến các mô hình hình thành sao tinh vi hơn và dự đoán chính xác hơn về tốc độ hình thành sao của các đám mây phân tử trong vũ trụ quy mô lớn và thiết lập các điều kiện ban đầu cho sự hình thành hành tinh ở quy mô nhỏ, và nhiễu động đóng một vai trò lớn trong tất cả những điều này. Cuối cùng, chúng tôi hy vọng rằng mô phỏng này sẽ nâng cao hiểu biết của chúng tôi về các loại nhiễu động khác nhau trên Trái đất và trong không gian. “
Hợp tác vũ trụ học và những tiến bộ về tính toán
Trong khi nhóm nghiên cứu tự hào về mô phỏng phá kỷ lục của mình, họ đã chú ý đến việc thêm nhiều chi tiết hơn vào mô phỏng của mình, dẫn đến một bức tranh thậm chí chính xác hơn về sự hình thành sao. Federrath chỉ ra rằng nhóm dự định bắt đầu kết hợp các tác động của từ trường vào mô phỏng, dẫn đến tăng đáng kể bộ nhớ cho một mô phỏng vốn đã yêu cầu bộ nhớ và sức mạnh tính toán đáng kể cũng như nhiều petabyte dung lượng lưu trữ – mô phỏng hiện tại yêu cầu 131 terabyte bộ nhớ và 23 terabyte dung lượng ổ đĩa cho mỗi ảnh chụp nhanh, với toàn bộ mô phỏng bao gồm hơn 100 ảnh chụp nhanh.
Kể từ khi ông đang làm bằng tiến sĩ tại Đại học Heidelberg, Federrath đã hợp tác với các nhân viên tại AstroLab của LRZ để giúp mở rộng mô phỏng của mình để tận dụng tối đa các hệ thống HPC hiện đại. Chạy mô phỏng lớn nhất từ trước đến nay thuộc loại của nó đóng vai trò xác nhận giá trị của sự hợp tác lâu dài này. Trong thời gian này, Federrath đã làm việc chặt chẽ với Tiến sĩ Luigi Iapichino của LRZ, Trưởng phòng AstroLab của LRZ, người là đồng tác giả của ấn phẩm Thiên văn học (Nature Astronomy).
“Tôi thấy sứ mệnh của chúng ta là giao diện giữa sự phức tạp ngày càng tăng của các kiến trúc HPC, vốn là gánh nặng đối với các nhà phát triển ứng dụng và các nhà khoa học, không phải lúc nào cũng có bộ kỹ năng phù hợp để sử dụng tối đa tài nguyên HPC một cách hiệu quả, ”Iapichino nói. “Từ quan điểm này, việc hợp tác với Christoph khá đơn giản vì anh ấy rất có kỹ năng lập trình cho hiệu suất của HPC. Tôi rất vui vì trong kiểu hợp tác này, các chuyên gia ứng dụng thường là đối tác chính thức của các nhà nghiên cứu, vì nó nhấn mạnh vai trò trung tâm chính đội ngũ nhân viên chơi trong khuôn khổ HPC đang phát triển. “
Nguồn truyện:
Tài liệu do Trung tâm Siêu máy tính Gauss cung cấp . Bản gốc do Eric Gedenk viết. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.
Tham khảo Tạp chí :