Возникновение контрастных структур для галактического магнитного поля: теоретические оценки и моделирование на видеокартах

Генерация магнитных полей галактик – важная задача как с точки зрения космической магнитной гидродинамики, так и с позиции вычислительной математики (как правило, моделирование полей требует значительных компьютерных ресурсов, часто необходимо использование параллельных вычислений). Процесс эволюции поля описывается с помощью уравнений динамо среднего поля, которые в общем случае являются нелинейными. Они допускают формирование контрастных структур, предсказываемых теорией сингулярных возмущений, описывающей уравнения с малым параметром при старшей производной. С астрономической точки зрения подобные решения обычно связывают со спиральной структурой галактик и с формированием инверсий магнитного поля: в разных частях галактики формируются области с противоположным направлением магнитного поля, разделенные узкими переходными слоями. С вычислительной точки зрения решение полной двумерной задачи является достаточно ресурсоемкой задачей, поэтому оказывается разумным использование параллельных вычислений. Одним из вариантов реализации данного решения выступает платформа OpenCL, позволяющая в несколько раз увеличить производительность процесса. OpenCL является перспективным кроссплатформенным стандартом для разработки приложений, в частности использующих GPU, производительность которых по мере эволюции драйверов стремительно увеличивается. В настоящей работе представлены основные теоретические оценки поведения магнитного поля, которые в дальнейшем подтверждаются и уточняются в ходе компьютерного моделирования на видеокартах. Показано, что механизм возникновения переходных слоев в радиальном и азимутальном направлениях описывается принципиально различными механизмами. В то время как радиальные инверсии магнитного поля оказываются достаточно устойчивыми, все азимутальные структуры быстро размываются за счет характера течений межзвездного газа. Это означает также практическую нереализуемость возникновения неосесимметричных распределений магнитного поля.