Самый быстрый суперкомпьютер воспроизвел нити газа вокруг скоплений галактик
Ученые использовали самый мощный в мире суперкомпьютер Frontier, чтобы понять, как скопления галактик управляют огромной энергией сверхмассивных черных дыр. Моделирование помогло получить наиболее четкое на сегодня представление о том, как эти космические гиганты существуют миллиарды лет и не разрушаются.
В центрах галактик находятся черные дыры, которые в миллиарды раз массивнее Солнца. Они питают активные ядра галактик, которые выбрасывают в окружающее пространство тепло, пыль и газ. Часть этого вещества вращается в ярких аккреционных дисках, а другая часть улетает далеко за пределы галактики. «Мы хотели понять, как эти галактики регулируют себя на протяжении всей истории Вселенной», — рассказал Брайан О’Ши, астрофизик-теоретик из Университета штата Мичиган и соавтор исследования.
Чтобы проверить свои гипотезы, исследователи смоделировали черную дыру массой в миллиард солнц. Она находилась в центре скопления галактик, масса которого достигала квадриллиона солнц, что в тысячу раз больше массы Млечного Пути. Ученые проследили за эволюцией системы на протяжении миллиардов лет и отследили циклы активности джетов черной дыры. «Эти джеты движутся чрезвычайно быстро. Даже с мощностью Frontier нам пришлось искусственно ограничить их скорость в симуляции примерно до 5 % от скорости света», — объяснил Филипп Грете, астрофизик-теоретик из Гамбургской обсерватории в Германии. Он добавил, что даже с таким ограничением для завершения моделирования потребовалось около двух миллионов шагов.
Проект потребовал 700 тысяч часов и более 17 тысяч графических процессоров. Для расчетов использовали ПО с открытым исходным кодом AthenaPK. Кроме суперкомпьютера, никакая другая машина не смогла бы справиться с таким масштабом и детализацией работы. «Один из давних вопросов, который у нас был, — могут ли эти системы оставаться стабильными на протяжении миллиардов лет», — сказал Грете. По его словам, провести такое моделирование можно было только на машине, у которой достаточно не только памяти и хранилища для данных, но и вычислительной мощности графических процессоров для быстрой обработки.
Необычную массу первых звезд объяснили с помощью суперкомпьютера
Производительность Frontier, которая составляет два экзафлопса, или два квинтиллиона вычислений в секунду, позволила выявить новые детали о газовых филаментах. Эти нитевидные структуры окружают скопления галактик. Их давно наблюдали в реальных скоплениях, например в скоплении Персея, но никогда ранее не удавалось воспроизвести в симуляции. О’Ши рассказал, что их образование было загадкой, но теперь стало понятно, как они появляются. Филаменты возникают из-за турбулентности, которую создает взаимодействие холодных газов с горячей межгалактической плазмой и окружающими их магнитными полями. Температура плазмы при этом может достигать 100 миллионов кельвинов.
Результаты показывают, что скопления галактик, вероятно, используют магнитные поля для регулирования энергии и поддержания стабильности. Команда надеется расширить свою работу. Ученые планируют добавить в модель больше физических процессов, включая космические лучи и плазменные эффекты. О’Ши считает, что по мере углубления понимания этих явлений можно будет извлечь уроки, которые применимы не только к скоплениям галактик, но и к сверхновым и даже к турбулентности в термоядерных реакторах токамак. Результаты исследования опубликованы в научном журнале The Astrophysical Journal.
Иллюстрация Oak Ridge National Laboratory
Самое популярное
