高斯超级计算中心 湍流塑造了星际介质
这张照片显示了湍流气体的一部分，这是世界上最高分辨率的湍流模拟，发表在《自然天文学》杂志上
湍流产生强烈的密度对比，即所谓的冲击(见放大图)
这些冲击的相互作用被认为在恒星的形成中起着关键作用
信用:费德勒等人
自然天文学
DOI: 10
1038/s 14550-020-01282-z 早期的天文学家煞费苦心地研究夜空中恒星的细微运动，试图确定我们的星球相对于其他天体是如何运动的
随着科技的发展，对宇宙如何运作以及我们在其中的相对位置的理解也在增加
然而，仍然是个谜的是对恒星和行星最初是如何形成的更详细的理解
天体物理学家和宇宙学家明白，物质在星际介质中的运动有助于形成行星和恒星，但这种气体和尘埃的复杂混合物——恒星形成的燃料——是如何在宇宙中运动的就更加神秘了
为了帮助更好地理解这个谜，研究人员已经转向高性能计算的力量来开发银河系中现象的高分辨率再现
就像工程和流体动力学研究中的一些地面挑战一样，天体物理学家专注于更好地理解湍流在帮助塑造我们的宇宙中的作用
在过去的几年里，由澳大利亚国立大学副教授克里斯托夫·费得拉斯和海德堡大学教授拉尔夫·克莱森领导的多机构合作，一直在利用慕尼黑附近加青莱布尼茨超级计算中心的高性能计算资源来研究湍流对星系形成的影响
该小组最近揭示了天体物理湍流的所谓“音速尺度”——标志着从超音速到亚音速(分别比音速快或慢)的转变——创造了这一过程中有史以来最大的超音速湍流模拟
该团队在《自然天文学》上发表了他们的研究
模拟中的许多比例 为了在他们的研究中模拟湍流，费德拉斯和他的合作者需要解决代表各种尺度的复杂气体动力学方程
具体来说，该团队需要模拟复杂的气体混合物在穿过ISM时音速范围两侧的湍流动力学
这意味着要有一个足够大的模拟来捕捉这些比音速更快发生的大规模现象，同时还要缓慢地推进模拟，并有足够的细节来精确地模拟亚音速时发生的更小、更慢的动力学
“湍流只发生在远离驱动大尺度的能量源的尺度上，也远离小尺度上的所谓耗散(湍流的动能转化为热量)。”费德拉斯说
“对于我们的特殊模拟，其中我们希望解决超音速和亚音速湍流级联，音标在两者之间，这需要至少四个数量级的空间尺度来解决
" 除了规模，模拟的复杂性是另一个主要的计算挑战
虽然地球上的湍流是物理学中最后一个未解之谜，但研究地球湍流的研究人员有一个主要优势——这些流体中的大多数是不可压缩的，或者只是轻微压缩的，这意味着地球流体的密度保持接近恒定
然而，在ISM中，元素的气体混合物是高度可压缩的，这意味着研究人员不仅必须考虑影响湍流的大范围尺度，他们还必须在整个模拟过程中求解方程，以便在继续之前知道气体的密度
理解声波尺度附近的密度对恒星形成的影响对费德拉斯和他的合作者很重要，因为现代恒星形成理论表明，声波尺度本身就是恒星形成的“金发区”
天体物理学家长期以来一直使用类似的术语来讨论行星与恒星的接近程度如何决定其容纳生命的能力，但对于恒星形成本身来说，音速尺度在湍流和重力之间取得了平衡，为恒星更容易形成创造了条件
比音速尺度大的尺度往往会有太多的湍流，导致稀疏的恒星形成，而在较小的亚音速区域，重力占了上风，导致局部恒星群的形成
为了精确地模拟声波尺度以及两边的超音速和亚音速尺度，该团队与LRZ合作，将其应用扩展到SuperMUC高性能计算系统上的65，000多个计算核心
拥有如此多的可用计算内核，使得该团队能够创建一个具有超过1万亿分辨率元素的模拟，使其成为同类模拟中规模最大的一个
“有了这个模拟，我们第一次能够解析音速尺度，”费德勒说
“我们发现它的位置接近理论预测，但经过某些修改，有望导致更精确的恒星形成模型，以及对宇宙中分子云的恒星形成速率的更精确预测
恒星的形成在大尺度上推动星系的演化，在小尺度上为行星的形成设定初始条件，而湍流在这一切中扮演着重要角色
我们最终希望这一模拟能增进我们对地球和太空中不同类型湍流的理解
" 宇宙学合作和计算进展 虽然该团队对其破纪录的模拟感到自豪，但它已经将注意力转向在模拟中添加更多细节，从而获得更准确的恒星形成图像
Federrath表示，该团队计划开始将磁场的影响纳入到模拟中，从而大幅增加已经需要大量内存和计算能力以及数千兆字节存储空间的模拟所需的内存，目前的模拟需要131兆字节的内存和23兆字节的磁盘空间，整个模拟由100多个快照组成
自从他在海德堡大学攻读博士学位以来，费德勒就一直与LRZ天文实验室的工作人员合作，帮助他扩展模拟，以充分利用现代高性能计算系统
运行有史以来规模最大的同类模拟，验证了这种长期合作的优点
在此期间，费德勒与LRZ的Dr
路易吉·亚皮奇诺，法国太空实验室的负责人，是《自然天文学》出版物的合著者
“我认为我们的使命是在不断增加的高性能计算体系结构的复杂性(这对应用程序开发人员来说是一个负担)和科学家之间建立联系，科学家并不总是拥有以最有效的方式使用高性能计算资源的正确技能，”Iapichino说
“从这个角度来看，与克里斯托弗的合作非常简单，因为他在高性能计算性能编程方面非常熟练
我很高兴在这种合作中，应用专家通常是研究人员的正式合作伙伴，因为它强调了中心工作人员在不断发展的高性能计算框架中的关键作用
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