El equipo crea simulaciones de la estructura de la Vía Láctea

18 de noviembre de 2014

por Katie Elyce Jones, Laboratorio Nacional Oak Ridge

Si hoy se tomara una fotografía de la Vía Láctea desde la distancia, la foto mostraría una galaxia espiral con una barra central brillante (a veces llamada protuberancia) de densas poblaciones de estrellas. El Sol, muy difícil de ver en tu foto, estaría ubicado fuera de esta barra cerca de uno de los brazos espirales compuestos por estrellas y polvo interestelar. Más allá de la galaxia visible habría un halo de materia oscura, invisible para la cámara pero importante porque mantiene todo junto al arrastrar hacia abajo la velocidad de rotación de la barra y los brazos espirales.

Ahora bien, si quisieras retroceder en el tiempo y tomar un vídeo de la formación de la Vía Láctea, podrías retroceder 10 mil millones de años, pero muchas de las características prominentes de la galaxia no serían reconocibles. Habría que esperar unos 5 mil millones de años para presenciar la formación del sistema solar de la Tierra. En este punto, hace 4.600 millones de años, la galaxia se ve casi como hoy.

"La gran estructura de la galaxia ha surgido de la autoorganización de la distribución estelar durante los últimos 10 mil millones de años para eventualmente parecerse a la Vía Láctea en la foto", dijo Simon Portegies Zwart del Observatorio de Leiden en los Países Bajos.

Esta es la línea de tiempo que un equipo de investigadores de los Países Bajos y Japón, incluido Portegies Zwart, está viendo emerger cuando utilizan supercomputadoras para simular la evolución de la Vía Láctea. Utilizando un código desarrollado para arquitecturas de supercomputación GPU, incluida la del Cray XK7 Titan ubicado en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía, las simulaciones del equipo obtuvieron la aceptación como finalista del Premio Gordon Bell. El premio reconoce logros destacados en informática de alto rendimiento y será presentado por la Association for Computing Machinery en SC14 el 20 de noviembre.

"No sabemos realmente cómo surgió la estructura de la galaxia", dijo Portegies Zwart. "Lo que nos dimos cuenta es que podemos utilizar las posiciones, velocidades y masas de las estrellas en el espacio tridimensional para permitir que la estructura surja de la autogravedad del sistema".

El desafío de calcular la estructura galáctica estrella por estrella es, como se puede imaginar, la gran cantidad de estrellas en la Vía Láctea: al menos 100 mil millones. Por lo tanto, el equipo necesitaba al menos una simulación de 100 mil millones de partículas para conectar todos los puntos. Antes del desarrollo del código del equipo, conocido como Bonsai, la simulación de galaxia más grande superó los 100 millones, no mil millones, de partículas.

El equipo probó una versión inicial de Bonsai en el Titan de Oak Ridge Leadership Computing Facility, el segundo superordenador más potente del mundo, para mejorar la escalabilidad del código. Después de escalar Bonsai a casi la mitad de los nodos GPU de Titán, el equipo ejecutó Bonsai en la supercomputadora Piz Daint en el Centro Nacional de Supercomputación de Suiza y simuló la formación de galaxias a lo largo de 6 mil millones de años con 51 millones de partículas que representan las fuerzas de las estrellas y la materia oscura. Después de una ejecución exitosa de Piz Daint, el equipo regresó a Titán para maximizar el paralelismo del código.

El código Bonsai demostró escalabilidad en 18.600 nodos Titán (96% de los nodos GPU de la máquina), lo que permitiría una simulación de la Vía Láctea de 8 millones de años y 242 mil millones de partículas. Bonsai logró casi 25 petaflops de rendimiento sostenido de punto flotante de precisión simple en Titán. Las operaciones de punto flotante de precisión simple utilizan menos memoria al representar números con 32 bits, mientras que las operaciones de doble precisión representan números más precisos a expensas del uso de 64 bits.

"Con el estudiante de posgrado Jeroen Bédorf, comenzamos escribiendo código único para GPU y deliberadamente nunca escribimos código en CPU porque queríamos que todo el código se ejecutara en GPU para explotar su paralelismo", dijo Portegies Zwart. "Las CPU del host sólo se utilizan para agilizar la comunicación entre los nodos y las GPU. De esta manera, podemos optimizar completamente el uso de las GPU para los cálculos numéricos y las CPU, mucho más lentas, para minimizar la sobrecarga de comunicación".

Otra característica de Bonsai que hace factibles las simulaciones de 242 mil millones de partículas es el uso de un código de árbol jerárquico que elimina los cálculos de fuerza gravitacional directa entre cada partícula (o estrella) y todos los demás miles de millones de partículas organizándolas en octantes que priorizan las interacciones de las partículas. .

El equipo pretende comparar los resultados de la simulación con las nuevas observaciones procedentes del satélite Gaia de la Agencia Espacial Europea lanzado el año pasado. Actualmente, la misión Gaia está catalogando mediciones de estrellas (incluidas distancias, velocidades y tipos estelares) de mil millones de estrellas de la Vía Láctea.

"El uno por ciento de las partículas, o estrellas, en nuestra galaxia simulada deberían coincidir con los datos de Gaia", dijo Portegies Zwart.

Gaia también proporcionará datos sobre estrellas más alejadas del vecindario solar de la Tierra, o sólo estrellas dentro de decenas de años luz. En comparación con las simulaciones de Bonsai, estas nuevas observaciones ayudarán a los investigadores a comprender mejor la dinámica de las galaxias más grandes, como la interacción de la barra y los brazos espirales, además de la dinámica local que tiene lugar alrededor de la Vecindad Solar.

Debido a que la galaxia es un lugar grande con muchos equipos de investigación dedicados a comprenderla, el equipo de Portegies Zwart planea poner a disposición de la comunidad investigadora los datos de simulación y el código fuente resultantes de los proyectos Bonsai.

Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge