Forskere bruger supercomputing for at studere eksotisk stof i stjerner

I hjertet af nogle af de mindste og tætteste stjerner i universet ligger nukleart stof, der muligvis eksisterer i eksotiske faser, der aldrig tidligere er observeret. Neutronstjerner, som dannes, når kernerne af massive stjerner kollapser i en lysende supernovaeksplosion, menes at indeholde stof ved større energier end hvad der kan opnås i partikelacceleratoreksperimenter, såsom dem ved Large Hadron Collider og Relativistic Heavy Ion Collider.

Selvom videnskabsmænd ikke kan genskabe disse ekstreme forhold på Jorden, de kan bruge neutronstjerner som færdige laboratorier for bedre at forstå eksotisk stof. Simulering af neutronstjerner, hvoraf mange kun er 12,5 miles i diameter, men kan prale af omkring 1,4 til to gange massen af ​​vores sol, kan give indsigt i det stof, der måtte eksistere i deres indre og give fingerpeg om, hvordan det opfører sig ved sådanne tætheder.

Et hold af nukleare astrofysikere ledet af Michael Zingale ved Stony Brook University bruger Oak Ridge Leadership Computing Facility's (OLCF's) IBM AC922 Summit, nationens hurtigste supercomputer, at modellere et neutronstjernefænomen kaldet et røntgenudbrud - en termonukleær eksplosion, der sker på overfladen af ​​en neutronstjerne, når dens gravitationsfelt trækker en tilstrækkelig stor mængde stof fra en nærliggende stjerne. Nu, holdet har modelleret en 2D røntgenudbrudsflamme, der bevæger sig hen over overfladen af ​​en neutronstjerne for at bestemme, hvordan flammen virker under forskellige forhold. Simulering af dette astrofysiske fænomen giver videnskabsmænd data, der kan hjælpe dem med bedre at måle radierne af neutronstjerner, en værdi, der er afgørende for at studere fysikken i neutronstjernernes indre. Resultaterne blev offentliggjort i Astrofysisk tidsskrift .

"Astronomer kan bruge røntgenudbrud til at måle radius af en neutronstjerne, hvilket er en udfordring, fordi det er så lille, " sagde Zingale. "Hvis vi kender radius, vi kan bestemme en neutronstjernes egenskaber og forstå det stof, der lever i dens centrum. Vores simuleringer vil hjælpe med at forbinde fysikken i røntgenudbrudsflammen, der brænder, med observationer."

Gruppen fandt ud af, at forskellige indledende modeller og fysik førte til forskellige resultater. I næste fase af projektet, holdet planlægger at køre én stor 3D-simulering baseret på resultaterne fra undersøgelsen for at få et mere præcist billede af røntgenudbrudsfænomenet.

Skift fysik

Neutronstjernesimuleringer kræver en enorm mængde fysikinput og derfor en enorm mængde computerkraft. Selv på topmødet, forskere har kun råd til at modellere en lille del af neutronstjernens overflade.

For nøjagtigt at forstå flammens adfærd, Zingales team brugte Summit til at modellere flammen for forskellige funktioner i den underliggende neutronstjerne. Holdets simuleringer blev gennemført under en tildeling af computertid under INCITE-programmet (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment). Holdet varierede overfladetemperaturer og rotationshastigheder, ved at bruge disse som proxyer for forskellige tilvæksthastigheder - eller hvor hurtigt stjernen stiger i masse, når den akkumulerer yderligere stof fra en nærliggende stjerne.

Alice Harpole, en postdoc forsker ved Stony Brook University og hovedforfatter på papiret, foreslog, at holdet modellerede en varmere skorpe, fører til uventede resultater.

"Et af de mest spændende resultater fra dette projekt var, hvad vi så, da vi varierede temperaturen på skorpen i vores simuleringer, " sagde Harpole. "I vores tidligere arbejde, vi brugte en køligere skorpe. Jeg tænkte, at det kunne gøre en forskel at bruge en varmere skorpe, men faktisk var det meget interessant at se forskellen på, at den øgede temperatur producerede."

Massiv databehandling, mere kompleksitet

Holdet modellerede røntgenudbrudsflammefænomenet på OLCF's topmøde ved det amerikanske energiministeriums (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Nicole Ford, en praktikant i Science Undergraduate Laboratory Internship Program ved Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), kørte komplementære simuleringer på Cori-supercomputeren ved National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). OLCF og NERSC er et DOE Office of Science brugerfaciliteter placeret på ORNL og LBNL, henholdsvis.

Med simuleringer af 9, 216 gitterceller i vandret retning og 1, 536 celler i lodret retning, indsatsen krævede en enorm mængde computerkraft. Efter at holdet havde gennemført simuleringerne, teammedlemmer benyttede OLCF's Rhea-system for at analysere og plotte deres resultater.

På topmødet, holdet brugte Castro-koden - som er i stand til at modellere eksplosive astrofysiske fænomener - i den adaptive mesh-forfining til exascale (AMReX) biblioteket, hvilket gjorde det muligt for teammedlemmer at opnå forskellige opløsninger på forskellige dele af nettet. AMReX er et af de biblioteker, der udvikles af Exascale Computing Project, et forsøg på at tilpasse videnskabelige applikationer til at køre på DOE's kommende exascale-systemer, herunder OLCF's grænse. Exascale-systemer vil være i stand til at beregne i exaflops-området, eller 10 ¹⁸ beregninger i sekundet.

AMReX giver en ramme for parallelisering på supercomputere, men Castro var ikke altid i stand til at udnytte de GPU'er, der gør Summit så attraktivt for videnskabelig forskning. Holdet deltog i OLCF-hostede hackathons på Brookhaven National Laboratory og ORNL for at få hjælp til at overføre koden til Summits GPU'er.

"Hackathonerne var utrolig nyttige for os til at forstå, hvordan vi kunne udnytte Summits GPU'er til denne indsats, " sagde Zingale. "Da vi gik fra CPU'er til GPU'er, vores kode kørte 10 gange hurtigere. Dette gjorde det muligt for os at foretage færre tilnærmelser og udføre mere fysisk realistiske og længere simuleringer."

Holdet sagde, at den kommende 3D-simulering, de planlægger at køre, ikke kun vil kræve GPU'er - den vil æde næsten al holdets INCITE-tid for hele året.

"Vi er nødt til at få hver ounce præstation, vi kan, " sagde Zingale. "Heldigvis, vi har lært af disse 2D-simuleringer, hvad vi skal gøre for vores 3D-simulering, så vi er forberedt på vores næste store bestræbelse."