T.E.L: 3 min.
El rol de la turbulencia en la formación estelar.
¿Qué será primero: el orden que altera el caos o el caos que altera el orden?
La naturaleza es dialéctica: las estrellas y galaxias se forjan en la turbulencia caótica y el violento encuentro entre gravedad y materia. Y culminan sus vidas también en forma violenta, desordenándose al expulsar al medio inter-estelar (MIE) las capas exteriores de sus atmósferas, que será el caldo de cultivo para que luego, otra vez, la gravedad estructure la homogeneidad gaseosa hasta encenderla.
Recientemente, un equipo de investigadores liderados por el profesor Christoph Federrath de la Universidad Nacional de Australia, usó el poder computacional en el Centro de Supercomputación de Leibniz (LRZ) en Alemania para correr la mayor simulación magneto-hidrodinámica de turbulencia astrofísica.
El equipo se asoció con expertos de visualización de LRZ e Intel para transformar su masivo cálculo en una increíble visualización. Para lograrlo, usaron el motor de renderizado OSPRay de Intel. El resultado, además de ser útil para comprender el MIE, consiguió un puesto como finalista en Premio a las Visualizaciones Científicas de este año (SC19).
Tiempos turbulentos
A ojo desnudo, el espacio entre sistemas estelares como nuestro sistema solar, parece un enorme vacío sin mayores características, pero ese espacio está lleno de lo que los astrónomos llaman medio interestelar (MIE o en inglés ISM). Este medio es un entorno gaseoso que juega un rol clave en el transporte de elementos en el universo, dando forma así a estrellas y galaxias.
La materia y energía del MIE fueron eyectadas por violentas supernovas y vientos estelares que generan movimientos caóticos, turbulentos. La turbulencia es uno de los mayores problemas a resolver en física y entender esos movimientos a semejante escala requiere de la HPC, la computación de alto rendimiento.
"El desafío general con las simulaciones astrofísicas es que son problemas de multiescala", dijo el Dr. Salvatore Cielo, investigador en LRZ al frente de la visualización. "Para entender la formación estelar, necesitamos modelar objetos tan grandes como galaxias, pero con una resolución de varios órdenes de magnitud mayor para dar cuenta apropiadamente de la física de los bloques constructivos de las estrellas, como la turbulencia", explica.
Y agrega: "La turbulencia es especialmente demandante de simular, ya que tiende a no ser localizada, sino que llena el volumen; no hay simetría o construcción geométrica".
La simulación recientemente producida por Federrath alcanzó una resolución de más de 10.000 celdas o grids por cada dimensión espacial, para un total de 100483 elementos, la más grande simulación a la fecha. Esto fue necesario para capturar la transición de la escala supersónica y subsónica de la turbulencia. Por definición, la escala sónica es cuando se alcanza el número Mach 1.
Además de ser la primera en alcanzar esta escala, la simulación reproduce con precisión la complejidad de la estructura interna de una región de formación estelar.
Cada fotograma requirió más de 23 terabytes de espacio en disco. Se usó para tal fin los 6336 nodos de la SuperMUC-NG, la supercomputadora de LRZ.
https://www.youtube.com/watch?v=EPe1Ho5qRuM
Conclusión
La turbulencia, aparentemente caótica y asimétrica, juega un rol clave, tanto en la formación como en la destrucción (ambas violentas) de las estrellas. Comprender mejor estos procesos que lleva desde nubes moleculares homogéneas y dispersas a estructuras ordenadas como las estrellas y de éstas nuevamente la expulsión de materia enriquecida al medio interestelar en un bucle incesante, es un tópico de investigación astrofísica moderna indispensable.
Las simulaciones hidrodinámicas y sus visualizaciones son importantes herramientas que requieren del uso intensivo de la computación, así como el desarrollo de avanzados algoritmos y matemáticas.
Si no se puede domesticar a la salvaje naturaleza cósmica, al menos podemos intentar comprenderla.
Hay una ventaja: no hacen falta lentes para evitar perdigones.
Fuentes y enlaces relacionados
How does a star form?
https://sciencenode.org/feature/How%20does%20a%20star%20form.php
SuperMUC-NG
https://doku.lrz.de/display/PUBLIC/SuperMUC-NG
Scientific Visualization & Data Analytics Showcase
https://sc19.supercomputing.org/program/posters/scientific-visualization-data-analytics-showcase/
Visualizing the world's largest turbulence simulation
Salvatore Cielo, Luigi Iapichino, Johannes Günther, Christoph Federrath, Elisabeth Mayer, Markus Wiedemann
arXiv:1910.07850 [physics.comp-ph]
https://arxiv.org/abs/1910.07850
Associate Professor Christoph Federrath
https://www.mso.anu.edu.au/~chfeder/
Supernovae feedback propagation: the role of turbulence
Loke Ohlin, Florent Renaud, Oscar Agertz
arXiv:1902.00028 [astro-ph.GA]
https://arxiv.org/abs/1902.00028
Sobre las imágenes
Capturas de pantalla de la visualización: Federrath y otros, 2019.
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