_ Flăcări termonucleare: astrofizicienii folosesc supercalculatorul pentru a explora fenomene stelare exotice

Înțelegerea modului în care o flacără termonucleară se răspândește pe suprafața unei stele neutronice – și ce ne poate spune această răspândire despre relația dintre masa stelei neutronice și raza acesteia – poate dezvălui, de asemenea, multe despre compoziția stelei.

Stelele neutronice — rămășițele compacte ale exploziilor de supernova — se găsesc în tot universul. Deoarece majoritatea stelelor sunt în sisteme binare, este posibil ca o stea neutronică să aibă un însoțitor stelar. Exploziile de raze X apar atunci când materia se acumulează pe suprafața stelei neutronice de la însoțitorul său și este comprimată de gravitația intensă a stelei neutronice, rezultând o explozie termonucleară.

Astrofizicienii de la Universitatea de Stat din New York, Stony Brook și Universitatea din California, Berkeley, au folosit supercomputerul Summit al Oak Ridge Leadership Computing Facility pentru a compara modele de explozii de raze X în 2D și 3D. OLCF este o unitate de utilizare a Departamentului Energetic al Biroului pentru Știință, situată la Laboratorul Național Oak Ridge al DOE.

Puterea de calcul de înaltă performanță a Summit, accelerată de unitățile sale de procesare grafică sau GPU, a fost un factor critic în capacitatea echipei de a efectua simulări 3D. Toată munca de calcul a fost descărcată pe GPU-uri. Acest lucru a permis echipei să ruleze simulările cu mai mult de un ordin de mărime mai rapid folosind toate GPU-urile de pe un nod de calcul Summit, comparativ cu utilizarea tuturor nucleelor ​​unității centrale de procesare sau CPU de pe nod. (Summit are 4.608 noduri, fiecare dintre ele conține două procesoare IBM POWER9 și șase GPU-uri NVIDIA Volta.)

„Putem vedea aceste evenimente care se întâmplă mai detaliat cu o simulare. Unul dintre lucrurile pe care vrem să le facem este să înțelegem proprietățile stelei neutronice pentru că vrem să înțelegem cum se comportă materia la densitățile extreme pe care le-ați găsi într-o stea neutronică”, a spus Michael Zingale, care a condus proiectul și este profesor la departamentul de Fizică și Astronomie la SUNY Stony. Brook.

Prin compararea modelelor computerizate ale flăcărilor termonucleare cu radiația observată de explozie de raze X, cercetătorii pot impune constrângeri asupra dimensiunii sursei pentru a calcula raza stelei neutronice.

Neutroni. stelele au în jur de 1,4 până la 2 ori masa soarelui, în ciuda faptului că au în medie doar 12 mile în diametru. Masa și razele sunt factori importanți în înțelegerea interioarelor stelelor neutronice pe baza modului în care se comportă materia în condiții extreme. Acest comportament este determinat de „ecuația de stare” a stelei, care este o descriere a modului în care presiunea și energia internă dintr-o stea neutronică răspund la schimbările de densitate, temperatură și compoziție.

Studiul a generat o Simulare 3D bazată pe informații dintr-o simulare 2D anterioară pe care echipa a efectuat-o pentru a modela o flacără de raze X care se mișcă pe suprafața stelei neutronice. Studiul 2D sa centrat pe propagarea flăcării în diferite condiții, cum ar fi temperatura suprafeței și viteza de rotație. Simularea 2D a indicat că condițiile fizice diferite au condus la rate diferite de răspândire a flăcării.

Extinderea acestor rezultate, simularea 3D a folosit codul Castro și biblioteca AMReX exascale subiacentă pe Summit. Biblioteca AMReX a fost dezvoltată de Exascale Computing Project pentru a ajuta aplicațiile științifice să ruleze pe sistemele exascale ale DOE, inclusiv supercomputerul HPE Cray EX al OLCF, Frontier. Rezultatele simulării au fost publicate în The Astrophysical Journal.

„Scopul mare este întotdeauna de a conecta simulările acestor evenimente cu ceea ce am observat”, a spus Zingale. „Ne propunem să înțelegem cum arată steaua subiacentă, iar explorarea a ceea ce pot face aceste modele în diferite dimensiuni este vitală”.

Simularea 3D a echipei s-a concentrat pe evoluția timpurie a flăcării și a folosit o temperatură a scoarței de stele neutronice de câteva milioane de ori mai fierbinte decât soarele, cu o viteză de rotație de 1.000 de herți. Flacăra 3D nu rămâne perfect circulară pe măsură ce se propagă în jurul stelei neutronice, așa că echipa a folosit masa materialului de cenușă produsă de flacără pentru a determina cât de rapid a avut loc arderea în comparație cu arderea flăcării 2D.

Deși arderea a fost puțin mai rapidă în modelul 2D, tendințele de creștere în ambele simulări au fost similare. Acordul dintre modele a indicat că simularea 2D rămâne un instrument bun pentru modelarea răspândirii flăcării pe suprafața stelei neutronice.

Cu toate acestea, vor fi necesare simulări 3D pentru a captura interacțiuni mai complexe, cum ar fi turbulența flacăra se va întâlni pe măsură ce se propagă, creată de arderea convectivă a stelei în stratul de materie acumulat. Turbulența este fundamental diferită în 2D și 3D.

În plus, echipa poate aplica „economiile” pe care le realizează prin faptul că poate urmări o mare parte din evoluția în 2D prin creșterea fidelității fizice a arderii nucleare și extinzând regiunea stelei pe care o simulează, adăugând și mai mult realism.

Alte facilități sunt folosite pentru a studia aceste sisteme astrofizice, dar abordează alte părți ale problemei. Facilitatea pentru fascicule izotopice rare, sau FRIB, de la Universitatea de Stat din Michigan a lansat cel mai puternic accelerator de ioni grei din lume. FRIB va explora nucleele bogate în protoni care sunt create de exploziile de raze X, iar echipa lui Zingale va putea folosi acele date pentru a-și îmbunătăți propriile simulări.

„Suntem aproape de a modela răspândirea flăcării. de-a lungul întregii stele de la pol la pol. Este incitant", a spus Zingale.

(Fluierul)