Termonukleare flammer:Astrofysikere bruger supercomputer til at udforske eksotiske stjernefænomener

At forstå, hvordan en termonuklear flamme spreder sig over overfladen af ​​en neutronstjerne – og hvad den spredning kan fortælle os om forholdet mellem neutronstjernens masse og dens radius – kan også afsløre meget om stjernens sammensætning.

Neutronstjerner - de kompakte rester af supernovaeksplosioner - findes overalt i universet. Fordi de fleste stjerner er i binære systemer, er det muligt for en neutronstjerne at have en stjerneledsager. Røntgenudbrud opstår, når stof samler sig på overfladen af ​​neutronstjernen fra dens ledsager og komprimeres af neutronstjernens intense tyngdekraft, hvilket resulterer i en termonuklear eksplosion.

Astrofysikere ved State University of New York, Stony Brook og University of California, Berkeley, brugte Oak Ridge Leadership Computing Facility's Summit supercomputer til at sammenligne modeller af røntgenudbrud i 2D og 3D. OLCF er en Department of Energy Office of Science brugerfacilitet beliggende ved DOE's Oak Ridge National Laboratory.

Summits højtydende computerkraft, accelereret af dets grafikbehandlingsenheder eller GPU'er, var en kritisk faktor i holdets evne til at udføre 3D-simuleringerne. Alt beregningsarbejdet blev overført til GPU'erne. Dette gjorde det muligt for teamet at køre simuleringerne mere end en størrelsesorden hurtigere ved at bruge alle GPU'erne på en Summit-beregningsknude sammenlignet med at bruge alle de centrale behandlingsenheder eller CPU-kerner på noden. (Summit har 4.608 noder, som hver indeholder to IBM POWER9 CPU'er og seks NVIDIA Volta GPU'er.)

"Vi kan se disse begivenheder ske i finere detaljer med en simulering. En af de ting, vi ønsker at gøre, er at forstå neutronstjernens egenskaber, fordi vi ønsker at forstå, hvordan stof opfører sig ved de ekstreme tætheder, du ville finde i en neutronstjerne, " sagde Michael Zingale, der ledede projektet og er professor i Fysik og Astronomi-afdelingen ved SUNY Stony Brook.

Ved at sammenligne computermodeller af de termonukleare flammer med observeret røntgenudbrudsstråling kan forskere sætte begrænsninger på størrelsen af ​​kilden for at beregne neutronstjernens radius.

Neutronstjerner har omkring 1,4 til 2 gange solens masse på trods af, at de i gennemsnit kun er 12 miles i diameter. Masse og radier er vigtige faktorer for at forstå neutronstjerners indre ud fra, hvordan stof opfører sig under ekstreme forhold. Denne adfærd er bestemt af stjernens "tilstandsligning", som er en beskrivelse af, hvordan trykket og den indre energi i en neutronstjerne reagerer på ændringer i dens tæthed, temperatur og sammensætning.

Undersøgelsen genererede en 3D-simulering baseret på indsigt fra en tidligere 2D-simulering, som holdet havde udført for at modellere en røntgensprængflamme, der bevægede sig hen over neutronstjernens overflade. 2D-undersøgelsen fokuserede på flammens udbredelse under forskellige forhold, såsom overfladetemperatur og rotationshastighed. 2D-simuleringen viste, at forskellige fysiske forhold førte til forskellige flammespredningshastigheder.

For at udvide disse resultater brugte 3D-simuleringen Castro-koden og dets underliggende exascale AMReX-bibliotek på Summit. AMReX-biblioteket blev udviklet af Exascale Computing Project for at hjælpe videnskabelige applikationer med at køre på DOE's exascale-systemer, herunder OLCF's HPE Cray EX supercomputer, Frontier. Simuleringsresultaterne blev offentliggjort i The Astrophysical Journal .

"Det store mål er altid at forbinde simuleringerne af disse begivenheder med det, vi har observeret," sagde Zingale. "Vi sigter efter at forstå, hvordan den underliggende stjerne ser ud, og det er afgørende at udforske, hvad disse modeller kan gøre på tværs af dimensioner."

Holdets 3D-simulering fokuserede på flammens tidlige udvikling og brugte en neutronstjerneskorpetemperatur flere millioner gange varmere end solen med en rotationshastighed på 1.000 hertz. 3D-flammen forbliver ikke perfekt cirkulær, da den forplanter sig omkring neutronstjernen, så holdet brugte massen af ​​askematerialet, der blev produceret af flammen, til at bestemme, hvor hurtigt afbrændingen skete sammenlignet med afbrændingen af ​​2D-flammen.

Selvom afbrændingen var lidt hurtigere i 2D-modellen, var væksttendenserne i begge simuleringer ens. Overenskomsten mellem modellerne viste, at 2D-simulering fortsat er et godt værktøj til at modellere flammen, der spredes på neutronstjernens overflade.

3D-simuleringer vil dog være påkrævet for at fange mere komplekse interaktioner, såsom turbulensen, som flammen vil støde på, når den forplanter sig, skabt af stjernens konvektiv forbrænding i det ophobede stoflag. Turbulens er fundamentalt forskellig i 2D og 3D.

Derudover kan holdet anvende de "besparelser", de opnår ved at være i stand til at følge meget af udviklingen i 2D ved at øge den fysiske troskab af den nukleare afbrænding og udvide området af den stjerne, de simulerer, og tilføje endnu mere realisme.

Andre faciliteter bruges til at studere disse astrofysiske systemer, men løser andre dele af problemet. Facility for Rare Isotope Beams, eller FRIB, ved Michigan State University har lanceret verdens mest kraftfulde tunge ionaccelerator. FRIB vil udforske de protonrige kerner, der er skabt af røntgenudbrud, og Zingales team vil være i stand til at bruge disse data til at forbedre sine egne simuleringer.

"Vi er tæt på at modellere flammen spredt over hele stjernen fra pol til pol. Det er spændende," sagde Zingale.

Flere oplysninger: Michael Zingale et al, Comparing Early Evolution of Flames in X-Ray Bursts in Two and Three Dimensions, The Astrophysical Journal (2023). DOI:10.3847/1538-4357/ace04e

Journaloplysninger: Astrofysisk tidsskrift

Leveret af Oak Ridge National Laboratory