Астрофизики из Государственного университета Нью-Йорка в Стоуни-Брук и Калифорнийского университета в Беркли создали 3D-моделирование рентгеновских всплесков на поверхности нейтронных звезд. Показаны два вида этих рентгеновских всплесков: левый столбец — сверху, а правый — под небольшим углом над поверхностью. Панели (сверху вниз) показывают структуру рентгеновского всплеска при времени моделирования 10, 20 и 40 миллисекунд. Фото: Майкл Зингал, факультет физики и астрономии SUNY в Стоуни-Брук.
Понимание того, как термоядерное пламя распространяется по поверхности нейтронной звезды – и что это распространение может рассказать нам о взаимосвязи между массой нейтронной звезды и ее радиусом – также может многое рассказать о составе звезды.
Нейтронные звезды — компактные остатки взрывов сверхновых — встречаются по всей Вселенной. Поскольку большинство звезд находятся в двойных системах, нейтронная звезда может иметь звездного компаньона. Рентгеновские всплески происходят, когда вещество накапливается на поверхности нейтронной звезды от ее компаньона и сжимается сильной гравитацией нейтронной звезды, что приводит к термоядерному взрыву.
Астрофизики из Государственного университета Нью-Йорка в Стоуни-Брук и Калифорнийского университета в Беркли использовали суперкомпьютер Summit в Oak Ridge Leadership Computing Facility для сравнения моделей рентгеновских всплесков в 2D и 3D. OLCF — это пользовательский центр Управления науки Министерства энергетики, расположенный в Национальной лаборатории Министерства энергетики США в Ок-Ридже.
Высокопроизводительные вычислительные мощности Summit, ускоренные графическими процессорами (GPU), стали решающим фактором в способности команды выполнять трехмерное моделирование. Вся вычислительная работа была переложена на графические процессоры. Это позволило команде выполнять моделирование более чем на порядок быстрее, используя все графические процессоры на вычислительном узле Summit, по сравнению с использованием всех ядер центрального процессора или ЦП на узле. (Summit имеет 4608 узлов, каждый из которых содержит два процессора IBM POWER9 и шесть графических процессоров NVIDIA Volta.)
«Мы можем увидеть, как эти события происходят более детально с помощью моделирования. Одна из вещей, которую мы хотим сделать, — это понять свойства нейтронной звезды, потому что мы хотим понять, как ведет себя материя при экстремальных плотностях, которые можно обнаружить в нейтронной звезде». «, — сказал Майкл Зингал, который руководил проектом и является профессором факультета физики и астрономии Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук.
Сравнивая компьютерные модели термоядерного пламени с наблюдаемым рентгеновским излучением, исследователи могут наложить ограничения на размер источника для расчета радиуса нейтронной звезды.
Нейтронные звезды имеют массу примерно в 1,4–2 раза больше солнечной, несмотря на то, что их средний диаметр составляет всего 12 миль. Масса и радиус являются важными факторами в понимании внутреннего строения нейтронных звезд, основанном на том, как материя ведет себя в экстремальных условиях. Такое поведение определяется «уравнением состояния» звезды, которое описывает, как давление и внутренняя энергия нейтронной звезды реагируют на изменения ее плотности, температуры и состава.
В результате исследования было создано 3D-моделирование, основанное на результатах предыдущего 2D-моделирования, которое команда выполнила для моделирования рентгеновского взрыва пламени, движущегося по поверхности нейтронной звезды. 2D-исследование было сосредоточено на распространении пламени при различных условиях, таких как температура поверхности и скорость вращения. 2D-моделирование показало, что разные физические условия приводят к разной скорости распространения пламени.
В дополнение к этим результатам в 3D-моделировании использовался код Кастро и лежащая в его основе экзафлопсная библиотека AMReX на Summit. Библиотека AMReX была разработана в рамках проекта Exascale Computing Project, чтобы помочь научным приложениям работать на экзафлопсных системах Министерства энергетики, включая суперкомпьютер HPE Cray EX Frontier, принадлежащий OLCF. Результаты моделирования были опубликованы в The Astrophysical Journal.
«Главная цель всегда состоит в том, чтобы связать моделирование этих событий с тем, что мы наблюдали», — сказал Зингейл. «Мы стремимся понять, как выглядит основная звезда, и жизненно важно изучить, что эти модели могут делать в разных измерениях».
3D-моделирование команды было сосредоточено на ранней эволюции пламени и использовало температуру коры нейтронной звезды, в несколько миллионов раз превышающую температуру Солнца, со скоростью вращения 1000 герц. Трехмерное пламя не остается идеально круглым при распространении вокруг нейтронной звезды, поэтому команда использовала массу пепла, образующегося в результате пламени, чтобы определить, насколько быстро происходило горение по сравнению с горением двумерного пламени.
Хотя в 2D-модели горение происходило немного быстрее, тенденции роста в обоих случаях были схожими. Согласие между моделями показало, что 2D-моделирование остается хорошим инструментом для моделирования распространения пламени по поверхности нейтронной звезды.
Однако 3D-моделирование потребуется для отражения более сложных взаимодействий, таких как турбулентность, с которой пламя сталкивается по мере своего распространения, создаваемая конвективным горением звезды в аккрецированном слое материи. Турбулентность принципиально отличается в 2D и 3D.
Кроме того, команда может применить «экономию», которую они реализуют благодаря возможности следить за большей частью эволюции в 2D, увеличивая физическую точность ядерного горения и расширяя область моделируемой звезды, добавляя еще больше реализма.
Для изучения этих астрофизических систем используются и другие средства, но они решают и другие части проблемы. Установка для пучков редких изотопов (FRIB) в Университете штата Мичиган запустила самый мощный в мире ускоритель тяжелых ионов. FRIB будет исследовать богатые протонами ядра, создаваемые рентгеновскими всплесками, и команда Зингала сможет использовать эти данные для улучшения своих собственных симуляций.
«Мы близки к моделированию пламени, распространяющегося по всей звезде от полюса до полюса. Это интересно», — сказал Зингале.
Информация от: Национальной лабораторией Ок-Ридж.
