Simulan la escala sónica de la turbulencia interestelar

Escala sónica de tubulencia astrofísica - Klessen et al. Nature Astronomy

MADRID, 11 Ene. (EUROPA PRESS)

Una colaboración internacional ha conseguido realizar la simulación de turbulencia supersónica más grande de la historia, al emular las turbulencias que ocurren en ambos lados de la llamada 'escala sónica', lo que abre la puerta a simulaciones de formación de galaxias más detalladas y realistas.

Según publican en la revista 'Nature Astronomy', los investigadores --liderados por el profesor asociado de la Universidad Nacional Australiana Christoph Federrath y el profesor de la Universidad de Heidelberg Ralf Klessen--, han estado utilizando los recursos de computación de alto rendimiento (HPC, por sus siglas en inglés) en el Centro de Supercomputación Leibniz, en Alemania, para estudiar la influencia de la turbulencia en la formación de galaxias y han revelado la llamada 'escala sónica' de turbulencia astrofísica, que marca la transición de velocidades supersónicas a subsónicas, creando la simulación más grande de turbulencia supersónica en el proceso.

A lo largo de los siglos, tanto los científicos como los no científicos han mirado el cielo nocturno y han sentido emoción, intriga y un misterio abrumador mientras reflexionan sobre cómo surgió nuestro universo y cómo se desarrolló y prosperó la humanidad en este lugar y tiempo exactos.

Los primeros astrónomos estudiaron minuciosamente los movimientos sutiles de las estrellas en el cielo nocturno para tratar de determinar cómo se mueve nuestro planeta en relación con otros cuerpos celestes. A medida que la tecnología ha aumentado, también lo ha hecho nuestra comprensión de cómo funciona el universo y nuestra posición relativa dentro de él.

Lo que sigue siendo un misterio, sin embargo, es una comprensión más detallada de cómo se formaron las estrellas y los planetas en primer lugar. Los astrofísicos y cosmólogos entienden que el movimiento de materiales a través del medio interestelar (ISM) ayudó a formar planetas y estrellas, pero cómo esta compleja mezcla de gas y polvo, el combustible para la formación de estrellas, se mueve a través del universo es aún más misterioso.

Para ayudar a comprender mejor este misterio, los investigadores han recurrido al poder de la computación de alto rendimiento para desarrollar recreaciones de alta resolución de fenómenos en la galaxia. Al igual que varios desafíos terrestres en la investigación de ingeniería y dinámica de fluidos, los astrofísicos se centran en desarrollar una mejor comprensión del papel de la turbulencia para ayudar a dar forma a nuestro universo.

Para simular turbulencias en su investigación, Federrath y sus colaboradores necesitaban resolver las complejas ecuaciones de la dinámica de los gases que representan una amplia variedad de escalas. Específicamente, el equipo necesitaba simular una dinámica turbulenta en ambos lados de la escala sónica en la compleja mezcla gaseosa que viaja a través del ISM.

Esto significó tener una simulación lo suficientemente grande para capturar estos fenómenos a gran escala que ocurren más rápido que la velocidad del sonido, mientras que también avanza la simulación lentamente y con suficiente detalle para modelar con precisión la dinámica más pequeña y lenta que tiene lugar a velocidades subsónicas.

"Los flujos turbulentos solo ocurren en escalas alejadas de la fuente de energía que impulsa a gran escala, y también lejos de la llamada disipación (donde la energía cinética de la turbulencia se convierte en calor) a pequeña escala --explica Federrath--. Para nuestra simulación particular, en la que queremos resolver la cascada de turbulencia tanto supersónica como subsónica con la escala sónica en el medio, esto requiere al menos 4 órdenes de magnitud en escalas espaciales para ser resuelto".

Además de la escala, la complejidad de las simulaciones es otro desafío computacional importante. Si bien la turbulencia en la Tierra es uno de los últimos grandes misterios de la física sin resolver, los investigadores que estudian la turbulencia terrestre tienen una gran ventaja: la mayoría de estos fluidos son incomprimibles o solo ligeramente comprimibles, lo que significa que la densidad de los fluidos terrestres se mantiene cercana a la constante.

En el ISM, sin embargo, la mezcla gaseosa de elementos es altamente comprimible, lo que significa que los investigadores no solo tienen que tener en cuenta la gran variedad de escalas que influyen en la turbulencia, sino que también tienen que resolver ecuaciones a lo largo de la simulación para conocer la densidad de los gases antes de continuar.

Comprender la influencia que juega la densidad cerca de la escala sónica en la formación de estrellas es importante para Federrath y sus colaboradores, porque las teorías modernas de formación de estrellas sugieren que la propia escala sónica sirve como una 'zona Ricitos de Oro' para la formación de estrellas.

Los astrofísicos han usado durante mucho tiempo términos similares para discutir cómo la proximidad de un planeta a una estrella determina su capacidad para albergar vida, pero para la formación de estrellas en sí, la escala sónica logra un equilibrio entre las fuerzas de la turbulencia y la gravedad, creando las condiciones para que las estrellas se formen más fácilmente. Las escalas más grandes que la escala sónica tienden a tener demasiada turbulencia, lo que lleva a una escasa formación de estrellas, mientras que en las regiones subsónicas más pequeñas, la gravedad gana el día y lleva a la formación de cúmulos localizados de estrellas.

Las escalas más grandes que la escala sónica tienden a tener demasiada turbulencia, lo que lleva a una escasa formación de estrellas, mientras que en regiones subsónicas más pequeñas, la gravedad gana el día y conduce a la formación de cúmulos de estrellas localizados.

Para simular con precisión la escala sónica y las escalas supersónicas y subsónicas en ambos lados, el equipo trabajó con LRZ para escalar su aplicación a más de 65.000 núcleos de cómputo en el sistema SuperMUC HPC. Tener tantos núcleos de cómputo disponibles permitió al equipo crear una simulación con más de 1 billón de elementos de resolución, lo que la convierte en la simulación más grande de su tipo.

"Con esta simulación, pudimos resolver la escala sónica por primera vez --señala Federrath--. Descubrimos que su ubicación estaba cerca de las predicciones teóricas, pero con ciertas modificaciones que, con suerte, conducirán a modelos de formación de estrellas más refinados y predicciones más precisas de las tasas de formación de estrellas de las nubes moleculares en el universo".

Según explica, "la formación de estrellas impulsa la evolución de las galaxias en a gran escala y establece las condiciones iniciales para la formación de planetas a pequeña escala, y la turbulencia está jugando un papel importante en todo esto. En última instancia --añade--, esperamos que esta simulación mejore nuestra comprensión de los diferentes tipos de turbulencia en la Tierra y en el espacio".