Моделирование динамики соударения молекулярных облаков на гетерогенных системах

Моделирование динамики соударения молекулярных облаков на гетерогенных системах

Рыбакин Б. П., Горячев В. Д.
Сибирский журнал индустриальной математики, 26, 1(93), 150-160 (2023)
Скачать статью

УДК 524.5:519.677 
DOI: 10.33048/SIBJIM.2023.26.114

Аннотация:

Представлены результаты компьютерного моделирования процесса соударения вращающихся молекулярных облаков в межзвёздной среде. По мере сжатия вещества плотность газа в области их соударения увеличивается, что приводит к локальным изменениям формы и фрагментации облаков. Плотность газа в образующихся сгущениях увеличивается на много порядков, возникают гравитационно связанные области, где возможно образование звёздных скоплений. Процесс звездообразования сопровождается значительными пространственными и временными изменениями межзвёздного газа в этих областях, турбулентностью межзвёздной среды, гравитацией, резким изменением магнитных и радиационных полей на предзвездном этапе эволюции новых образований. Большое влияние на протекающие процессы оказывает вращение сталкивающихся молекулярных облаков. Эволюция вещества протозвёздных областей с момента, когда они начинают формироваться, до момента, когда они достигают звёздной плотности, охватывает огромный диапазон масштабов. Моделирование таких астрофизических процессов на вычислительных сетках сверхбольшого разрешения требует значительного увеличения компьютерных мощностей, требуется оптимизация параллельных вычислений на гетерогенных вычислительных системах.

Литература:
  1. Dobbs C. L., Krumholz M. R., et al. Formation of molecular clouds and global conditions for star formation // Protostars & Planets VI. 2014. P. 3–26.
     
  2. Li G. X., Wyrowski F., Menten K. Revealing a spiral-shaped molecular cloud in our galaxy: Cloud fragmentation under rotation and gravity // Astronomy & Astrophysics. 2017. V. 598. Article 96.
     
  3. Skinner M. A., et al. FORNAX: A flexible code for multiphysics astrophysical simulations astrophys // J. Suppl. Ser. 2019. N 241. P. 7.
     
  4. RAMSES; https://www.ics.uzh.ch/teyssier/ramses/RAMSES.html
     
  5. Vazquez-Semadeni E., at al. Molecular cloud evolution. II. From cloud formation to the early stages of star formation in decaying conditions // Astrophys. J. 2007. N 657. P. 870-–883.
     
  6. Star Formation Triggering by Cloud-Cloud Collision // Publ. Astronom. Soc. Japan. 2018. V. 70, N SP2.
     
  7. Parkin E. R., Pittard J. M. Numerical heat conduction in hydrodynamical models of colliding hypersonic flows // Monthly Notices Royal Astronom. Soc. 2010. N 406. P. 2373–2385.
     
  8. Folini D., Walder R. Supersonic turbulence in shock-bound interaction zones I. Symmetric settings // Astronomy & Astrophysics. 2006. N 459. P. 1—19.
     
  9. McLeod A. D., Whitworth A. P. Simulations of the non-linear thin shell instability // Monthly Notices Royal Astronom. Soc. 2013. N 431. P. 710–721.
     
  10. Calderon D. et al. Three-dimensional simulations of clump formation in stellar wind collision // Monthly Notices Royal Astronom. Soc. 2020. N 493. P. 447–467.
     
  11. Vishniac E. T. Nonlinear instabilities in shock-bounded slabs // Astrophys. J. 1994. N 428. P. 186–208.
     
  12. Wolfe M. The OpenACC applications programming interface. Version 2.0., PGInsider. Technical News from PGI, 2013. 13. Coarray FORTRAN documentation: https://software.intel.com/content/www/us/en/develop/documentation/fortran-compiler-coarraytutorial/top.html
     
  13. Rybakin B., Goryachev V. Modeling of density stratification and filamentous structure formation in molecular clouds after shock wave collision // Computers and Fluids. 2018. N 173. P. 189–194.
     
  14. Rybakin B., Goryachev V. Parallel algorithms for astrophysics problems // Lobachevskii J. Math. 2018. V. 39, N 4. P. 562-–570.
     
  15. Habe A., Ohta K. Gravitational instability induced by a cloud-cloud collision: the case of head-on collision between clouds with different sizes and densities // Publ. Astronom. Soc. Japan. 1992. V. 44. P. 203—226.
     
  16. Kimura T., Tosa M. Collision of clumpy molecular clouds // Astronomy & Astrophysics. 1996. N 308. P. 979–987.
     
  17. Berne O, Marcelino N., Cernicharo J. Waves on the surface of the Orion molecular cloud // Nature Lett. 2010. V. 466, N 7309. P. 947–949.
     
  18. Berne O., Matsumoto Y. The Kelvin—Helmholtz instability in Orion: A source of turbulence and chemical mixing // Astrophys. J. Lett. 2012. V. 761, N L4. P. 1–5.
     
  19. Hubber D., Batty C., McLeod A., Whitworth A. SEREN — a new SPH code for star and planet formation simulations. Algorithms and test // Astronomy & Astrophysics. 2011. N 529. P. 1–27.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 19-29-09070mk).

Б. П. Рыбакин
  1. Научно-исследовательский институт системных исследований (ФНЦ НИИСИ РАН), 
    Нахимовский просп., 36, корп. 1, г. Москва 117218, Россия

E-mail: rybakin@vip.niisi.ru

В. Д. Горячев
  1. Тверской государственный технический университет, 
    набережн. А. Никитина, 22, г. Тверь 170026, Россия

E-mail: gdv.vdg@yandex.ru

Статья поступила 21.08.2022 г. 
После доработки — 21.08.2022 г.
Принята к публикации 29.09.2022 г.

Abstract:

The paper presents the results of computer simulation of the collision of rotating molecular clouds in the interstellar medium. As the matter is compressed in the cloud collision region, the gas density increases here, the Jeans wavelength decreases, which leads to a change in the shape and fragmentation of clouds and their remnants. The density of gas in these clumps increases by many orders of magnitude, gravitationally bound regions arise with the possible formation of star clusters in these zones. The process of star origination is accompanied by complex spatial and temporal transformations of interstellar gas, determined by the nonlinear interaction of the turbulence of the medium, gravity, changes in the distribution of the magnetic field and radiation at the prestellar stage of evolution. The rotation of molecular clouds has a great influence on thev ongoing processes. The effects of rotation in the modeling of collision processes began to be taken into account in simulation relatively recently. The evolution of pre-stellar regions, from thev time they originate in high energy streams to the time they reach protostellar density, spans a huge range of scales, leading to a major computational problem in numerical simulation. Modeling of such astrophysical processes on ultra-high-resolution computational grids requires a significant increase in computer power with the organization of parallel computing on heterogeneous systems.

References:
  1. Dobbs C. L., Krumholz M. R., et al. Formation of molecular clouds and global conditions for star formation. Protostars & Planets VI, 2014, pp. 3–26.
     
  2. Li G. X., Wyrowski F., Menten K. Revealing a spiral-shaped molecular cloud in our galaxy: Cloud fragmentation under rotation and gravity. Astronomy & Astrophysics, 2017, Vol. 598, article 96.
     
  3. Skinner M. A., et al. FORNAX: A flexible code for multiphysics astrophysical simulations astrophys. J. Suppl. Ser., 2019, No. 241, pp. 7.
     
  4. RAMSES; https://www.ics.uzh.ch/teyssier/ramses/RAMSES.html
     
  5. Vazquez-Semadeni E., at al. Molecular cloud evolution. II. From cloud formation to the early stages of star formation in decaying conditions. Astrophys. J., 2007, No. 657, pp. 870-–883.
     
  6. Star Formation Triggering by Cloud-Cloud Collision. Publ. Astronom. Soc. Japan, 2018, Vol. 70, No. SP2.
     
  7. Parkin E. R., Pittard J. M. Numerical heat conduction in hydrodynamical models of colliding hypersonic flows. Monthly Notices Royal Astronom. Soc., 2010, No. 406, pp. 2373–2385.
     
  8. Folini D., Walder R. Supersonic turbulence in shock-bound interaction zones I. Symmetric settings. Astronomy & Astrophysics, 2006, No. 459, pp. 1—19.
     
  9. McLeod A. D., Whitworth A. P. Simulations of the non-linear thin shell instability. Monthly Notices Royal Astronom. Soc., 2013, No. 431, pp. 710–721.
     
  10. Calderon D. et al. Three-dimensional simulations of clump formation in stellar wind collision. Monthly Notices Royal Astronom. Soc., 2020, No. 493, pp. 447–467.
     
  11. Vishniac E. T. Nonlinear instabilities in shock-bounded slabs. Astrophys. J., 1994, No. 428, pp. 186–208.
     
  12. Wolfe M. The OpenACC applications programming interface. Version 2.0., PGInsider. Technical News from PGI, 2013.
     
  13. Coarray FORTRAN documentation: https://software.intel.com/content/www/us/en/develop/documentation/fortran-compiler-coarraytutorial/top.html
     
  14. Rybakin B., Goryachev V. Modeling of density stratification and filamentous structure formation in molecular clouds after shock wave collision. Computers and Fluids, 2018, No. 173, pp. 189–194.
     
  15. Rybakin B., Goryachev V. Parallel algorithms for astrophysics problems. Lobachevskii J. Math., 2018, Vol. 39, No. 4, pp. 562-–570.
     
  16. Habe A., Ohta K. Gravitational instability induced by a cloud-cloud collision: the case of head-on collision between clouds with different sizes and densities. Publ. Astronom. Soc. Japan, 1992, Vol. 44, pp. 203—226.
     
  17. Kimura T., Tosa M. Collision of clumpy molecular clouds. Astronomy & Astrophysics, 1996, No. 308, pp. 979–987.
     
  18. Berne O, Marcelino N., Cernicharo J. Waves on the surface of the Orion molecular cloud. Nature Lett., 2010, Vol. 466, No. 7309, pp. 947–949.
     
  19. Berne O., Matsumoto Y. The Kelvin—Helmholtz instability in Orion: A source of turbulence and chemical mixing. Astrophys. J. Lett., 2012, Vol. 761, No. L4, pp. 1–5.
     
  20. Hubber D., Batty C., McLeod A., Whitworth A. SEREN — a new SPH code for star and planet formation simulations. Algorithms and test. Astronomy & Astrophysics, 2011, No. 529, pp. 1–27.