科学|太空探索：银河系的风使研究人员，以前所未有的规模探测星系？
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当天文学家进入宇宙时 ， 他们所看到的往往超出了人类理解的极限 。 低质量星系 - 星系的情况就是我们银河系的一小部分 。
这些由数百万或数十亿颗恒星 ， 尘埃和气体组成的微弱系统构成了宇宙中最常见的星系类型 。 但根据天体物理学家最先进的模型 ， 低质量星系应该包含比它们似乎包含的更多的恒星 。
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这种差异的主要理论取决于从一些星系中观察到的类似喷泉的气体流出 。 这些流出物是由恒星的生命和死亡驱动的 ， 特别是恒星风和超新星爆炸 ， 它们共同引起了一种被称为“银河风”的现象 。 随着恒星活动将气体排入星系际空间 ， 星系将失去宝贵的原材料来制造新的恒星 。 然而 ， 在这个过程中发挥作用的物理和力量仍然是一个谜 。
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为了更好地了解银河风如何影响星系中的恒星形成 ， 由加州大学圣克鲁兹分校领导的一个由两人组成的团队转向美国能源部橡树岭领导计算机构（OLCF）的高性能计算（ DOE）科学办公室用户设施位于美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL） 。 具体来说 ， UC Santa Cruz天体物理学家Brant Robertson和亚利桑那大学的研究生Evan Schneider（现为普林斯顿大学的哈勃研究员）在OLCF的Cray XK7 Titan超级计算机上扩展了他们的Cholla流体动力学代码 ， 以创建非常详细的银河风模拟 。
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“生成银河系风的过程需要精确的分辨率才能理解 - 比其他模拟星系群体的宇宙学模拟更好的分辨率 ， ”罗伯逊说 。 “这是你真正需要像泰坦那样的机器 。 ”
通过美国能源部的INCITE计划在泰坦获得分配后 ， 罗伯逊和施耐德开始小规模 ， 模拟一股热的超新星驱动的风 ， 在300光年的空间内与一团凉爽的气体相撞 。 （光年等于光在1年内传播的距离 。 ）结果使得该团队能够排除银河风的潜在机制 。
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现在 ， 该团队正在设定更高的目标 ， 旨在为整个星系产生近万亿次的单元模拟 ， 这将是有史以来最大的星系模拟 。 除了打破记录之外 ， 罗伯逊和施奈德正在努力发现有关银河风和调节星系的力量的新细节 ， 这些见解可以提高我们对低质量星系 ， 暗物质和宇宙演化的理解 。
模拟冷云！
距离地球大约1200万光年的地方就是银河系中最近的一个邻居 ， 一个叫做Messier 82（M82）的圆盘星系 。 M82的雪茄形状比银河系小 ， 凸显出一种不稳定的个性 。 星系产生的新恒星比我们银河系的恒星产生速度快约五倍 。 这种制造星球的狂热产生了银河系的风 ， 比系统保留更多的气体 ， 导致天文学家估计M82将在短短800万年内耗尽燃料 。
分析来自美国宇航局哈勃太空望远镜的图像 ， 科学家们可以观察到这种缓慢发展的气体和尘埃 。 从这些观测中收集的数据可以帮助Robertson和Schneider测量他们在模拟银河风时是否在正确的轨道上 。
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“对于像M82这样的星系 ， 你会看到很多半径很大的冷材料流出的速度非常快 。 我们想看看 ， 如果你采用了真实的冷气云 ， 并用热的 ， 快速流动的超新星驱动它 。 如果你可以将这种冷材料加速到所观察到的速度 ， “罗伯森说 。 以高分辨率回答这个问题需要一个有效的代码 ， 可以根据众所周知的物理学解决问题 ， 例如液体的运动 。 Robertson和Schneider开发了Cholla ， 完全基于GPU ， 高度并行化的加速器进行流体动力学计算 ， 这些加速器在简单数字运算方面表现优异 ， 从而实现高分辨率结果 。
在Titan ， 一个包含超过18,000个GPU的27千万亿次浮点运算系统中 ， Cholla找到了它的匹配 。 在亚利桑那大学的GPU集群上测试代码之后 ， Robertson和Schneider在两个小的OLCF Director's Discretionary奖项下对Cholla进行了基准测试 ， 然后让代码在INCITE下松散 。 在测试运行中 ， 代码已经在超过16,000个GPU上进行了扩展 。 “我们可以使用泰坦全部 ， ”罗伯森说 ， “这有点令人惊讶 ， 因为该系统的绝大部分功能都在GPU中 。 ”
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代码和计算机的配对为Robertson和Schneider提供了生成直径超过15光年的气体云的高保真模拟所需的工具 。 此外 ， 该团队可以放大模拟的部分内容 ， 以孤立地研究银河风的阶段和属性 。 这种能力帮助该团队排除了一种理论 ， 即靠近银河系中心的冷云可以被来自超新星的快速移动的热风推出 。
“答案是不可能 ， ”罗伯森说 。 “炎热的风实际上切碎了云层 ， 云层变得非常狭窄 。 它们就像是很难推开的小缎带 。 ”
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银河目标！
Robertson和Schneider已经证明了Cholla的计算能力 ， 现在正计划进行全银河模拟 ， 比之前的努力大10到20倍 。 扩大模拟的大小将使团队能够测试磁盘星系（如M82）中银河系风的出现的替代理论 。 该理论表明 ， 当冷却气体膨胀和冷却时 ， 冷气流会从热流出物中冷凝出来 。
“这是在分析模型中提出的 ， 但未在模拟中进行测试 ， ”罗伯森说 。 “你必须对整个星系进行建模以捕捉这个过程 ， 因为流出的动态是需要对磁盘进行全局模拟的 。 ”
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全星系模拟可能由数千亿个细胞组成 ， 代表超过30,000光年的空间 。 为了覆盖这一范围 ， 团队必须牺牲决心 。 然而 ， 它可以依靠其详细的气体云模拟来桥接尺度并在更大的模拟中通知未解决的物理 。
“这就是在不同规模上进行这些模拟的有趣之处 ， ”罗伯逊说 。 “我们可以在事后进行校准 ， 以了解我们如何通过更粗略 ， 更大的模拟来解决故事 。 ”
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