Stjernesimulatorer:Astrofysikere vil bruge supercomputer til at udforske drivkræfterne bag massetab i massive stjerner

Det er en indviklet proces, hvorigennem massive stjerner mister deres gas, mens de udvikler sig, og en mere fuldstændig forståelse kunne være bare beregninger væk - hvis bare disse beregninger ikke tog flere årtusinder at køre på normale computere.

Nu, astrofysikere Matteo Cantiello og Yan-Fei Jiang fra UC Santa Barbaras Kavli Institut for Teoretisk Fysik (KITP) kan finde en vej uden om det problem.

Parret er blevet tildelt 120 millioner CPU-timer over to år på supercomputeren Mira - den sjettehurtigste computer i verden - gennem programmet Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE), et initiativ fra U.S. Department of Energy Office of Science. INCITE har til formål at fremskynde videnskabelige opdagelser og teknologiske innovationer ved at tildele, på et konkurrencemæssigt grundlag, tid på supercomputere til forskere med storskala, beregningsintensive projekter, der adresserer "store udfordringer" inden for naturvidenskab og teknik.

"Adgang til Mira betyder, at vi vil være i stand til at køre beregninger, der ellers ville tage omkring 150, 000 år at køre på vores bærbare computere, " sagde Cantiello, en associeret specialist hos KITP.

Cantiello og Jiang vil bruge deres supercomputertid til at køre 3D-simuleringer af stjernernes interiører, især de ydre hylstre af massive stjerner. Sådanne beregninger er et vigtigt værktøj til at informere og forbedre de endimensionelle tilnærmelser, der bruges i modellering af stjernernes evolution. Forskerne sigter mod at optrevle den komplekse fysik, der er involveret i samspillet mellem gas, stråling og magnetiske felter i sådanne stjerner - stjernelegemer, der senere i livet kan eksplodere og danne sorte huller og neutronstjerner.

Fysikerne bruger grid-baseret Athena++-kode - som er blevet omhyggeligt udvidet og testet af Jiang - til at løse ligninger for gasstrømmen i nærvær af magnetiske felter (magnetohydrodynamik) og for hvordan fotoner bevæger sig i sådanne miljøer og interagerer med gasstrømmen ( strålingsoverførsel). Koden deler de enorme beregninger op i små stykker, der sendes til mange forskellige CPU'er og løses parallelt. Med et svimlende antal CPU'er—786, 432 for at være præcis – Mira fremskynder processen enormt.

Denne forskning adresserer et stadig vigtigere problem:at forstå strukturen af ​​massive stjerner og arten af ​​den proces, der får dem til at tabe masse, efterhånden som de udvikler sig. Dette omfatter både relativt jævne vinde og dramatiske episodiske massetabsudbrud.

Kaldes tab af stjernemasse, denne proces har en afgørende effekt på disse objekters endelige skæbne. Den type supernovaeksplosion, som disse stjerner gennemgår, samt typen af ​​rester, de efterlader (neutronstjerner, sorte huller eller slet ingen rester) er tæt knyttet til deres massetab.

Undersøgelsen er særlig relevant i lyset af den nylige påvisning af gravitationsbølger fra LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Opdagelsen demonstrerede eksistensen af ​​stjernemassesorte huller, der kredser så tæt på hinanden, at de til sidst kan smelte sammen og producere de observerede gravitationsbølger.

"Forståelse af, hvordan disse sorte huls binære systemer blev dannet i første omgang, kræver en bedre forståelse af strukturen og massetabet af deres stjerneforfædre, " forklarede Jiang, en postdoc ved KITP.

Implikationerne af værket Cantiello og Jiang vil udføre på Mira strækker sig også til bredere felter af stjernernes evolution og galaksedannelse, blandt andre.