Modellierung der Sternentstehung an parallelen Rechnern

Sehr junge Sterne entstehen in kollabierenden interstellaren Wolken, indem sich diese zuerst in massive Gas- und Staubscheiben zusammenziehen, von welchen Materie auf den wachsenden Stern hinunterfließt. In diesen Scheiben beginnen auch Planeten sich zu bilden und wachsen, was weiter bis zur Entstehung von Leben führen kann. Es ist deshalb wichtig, die Dynamik und Zusammensetzung dieser Scheiben besser zu verstehen, die auch als protostellare Scheiben bezeichnet werden. Dank neuer, fortschrittlicher Teleskope können protostellare Scheiben heute in zuvor unerreichtem Detail studiert werden. Die neuen Erkenntnisse durch Beobachtungen benötigen zur genauen Interpretation neuentwickelte Computercodes. Dies ist allerdings keine einfache Aufgabe. Verschiedene physikalische Prozesse, die durch unterschiedliche mathematische Formalismen beschrieben werden, machen die numerischen Simulationen so komplex, dass die gesteckten Ziele nur mittels innovativer Lösungen und tiefer Expertise in angewandter Mathematik zu erreichen sind. Gleichzeitig wird eine angemessene Erfahrung in Astrophysik benötigt, um den Einsatz der Mathematik-ExpertInnen in der Entwicklung von solchen Codes zur begleiten, die effizient und erfolgreich auf aktuelle astrophysikalische Probleme angewendet werden können. Unser multidisziplinäres Projekt nimmt sich vor, die Expertise in angewandter Mathematik der russischen KooperationspartnerInnen mit der astrophysikalischen Erfahrung des österreichischen Teams im Gebiet der Sternentstehung zusammenzubringen und damit einen dreidimensionalen (magneto-)hydrodynamischen Hochleistungscode zu entwickeln. Dieser wird auf die Verwendung von neuen Intel Xeon Scalable-Prozessoren abgestimmt (z.B., Skylake-SP/Cascade Lake SP), welche die Vektorisierung paralleler Operationen benutzen, um numerische Rechnungen zu beschleunigen und hohe Skalierbarkeit zu ermöglichen, und NVIDIA Grafikprozessoren (GPUs), die eine erhebliche Beschleunigung der Berechnungen ermöglichen. Das gegenwärtige Projekt wird die Palette an numerischen Codes mit einem Werkzeug bereichern, das von diesen innovativen Methoden vollen Gebrauch macht. Die Stärke und Neuartigkeit unseres Projektes liegt in der Synergie zwischen angewandter Mathematik und Astrophysik, ebenso wie in verschiedenen Rückkoppelungen, die diese Wechselwirkung mit sich bringt. Der Code wird auf spezifische astrophysikalische Probleme angewendet, welche ihrerseits den numerischen Methoden gewisse Einschränkungen auferlegen werden, was nicht-triviale Lösungsansätze anregen wird. Wir sind zuversichtlich, dass die Entwicklung eines auf Xeon Scalable-Prozessoren und NVIDIA GPUs optimierten numerischen Codes unschätzbare Erfahrungen und einen Mehrwert in der Form neuartiger Lösungen und numerischer Techniken bringen wird. Diese Techniken können künftig von den mathematischen und astrophysikalischen Gemeinschaften in beiden Ländern und weltweit weiter verwendet werden.