|
Изучение экзотических звездных явлений
|
|
|
|
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, у нейтронной звезды может быть звездный компаньон. Рентгеновские всплески происходят, когда вещество накапливается на поверхности нейтронной звезды от ее спутника и сжимается под действием сильной гравитации нейтронной звезды, что приводит к термоядерному взрыву. Астрофизики из Государственного университета Нью-Йорка в Стоуни-Бруке и Калифорнийского университета в Беркли использовали суперкомпьютер Summit компании Oak Ridge Leadership Computing Facility для сравнения моделей рентгеновских вспышек 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, ускоряемые ее графическими процессорами, или GPU, были решающим фактором в способности команды выполнять 3D-моделирование. Вся вычислительная работа была перенесена на графические процессоры. Это позволило команде выполнить моделирование более чем на порядок быстрее, используя все графические процессоры на вычислительном узле Summit, по сравнению с использованием всех ядер центрального процессора на узле. (Summit насчитывает 4608 узлов, каждый из которых содержит два процессора IBM POWER9 и шесть графических процессоров NVIDIA Volta.) "Мы можем увидеть, как эти события происходят в более мелких деталях 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 вы могли бы обнаружить в нейтронной звезде", - сказал Майкл Зингейл, возглавлявший проект и являющийся профессором кафедры физики и астрономии в SUNY Stony Brook.
|
|
|
Сравнивая компьютерные модели термоядерного пламени с наблюдаемым рентгеновским излучением, исследователи могут наложить ограничения на размер источника для расчета радиуса нейтронной звезды. Масса нейтронных звезд примерно в 1,4-2 раза превышает массу Солнца, несмотря на то, что в среднем они имеют диаметр всего 12 миль. Масса и радиусы являются важными факторами для понимания внутренней структуры нейтронных звезд, основанными на том, как вещество ведет себя в экстремальных условиях. Такое поведение определяется "уравнением состояния" звезды, которое представляет собой описание того, как давление и внутренняя энергия в нейтронной звезде реагируют на изменения ее плотности, температуры и состава. В ходе исследования была создана 3D-симуляция, основанная на результатах предыдущего 2D-моделирования, которое команда выполнила для моделирования пламени рентгеновской вспышки, 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 различные физические условия приводят к разной скорости распространения пламени.
|
|
|
|
Расширяя эти результаты, в 3D-моделировании использовался код Castro и лежащая в его основе библиотека exascale AMReX на Summit. Библиотека AMReX была разработана проектом Exascale Computing Project, чтобы помочь научным приложениям работать на системах exascale Министерства энергетики США, включая суперкомпьютер Frontier HPE Cray EX от OLCF. Результаты моделирования были опубликованы в 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 лежащая в основе звезда, и изучение того, что эти модели могут делать в разных измерениях, жизненно важно". 3D-моделирование команды было сосредоточено на ранней эволюции пламени и использовало температуру коры нейтронной звезды, в несколько миллионов раз более горячую, чем солнце, со скоростью вращения 1000 Герц. Трехмерное пламя не остается идеально круглым, поскольку оно распространяется вокруг нейтронной звезды, поэтому команда использовала массу пеплового материала, 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 моделированиях были схожими. Соответствие между моделями показало, что 2D-моделирование остается хорошим инструментом для моделирования распространения пламени по поверхности нейтронной звезды. Однако потребуется трехмерное моделирование, чтобы зафиксировать более сложные взаимодействия, такие как турбулентность, с которой столкнется пламя при распространении, создаваемая конвективным горением звезды в аккрецирующем слое вещества. Турбулентность принципиально отличается в 2D и 3D. Кроме того, команда может применить "экономию", которую они осознают благодаря возможности проследить большую часть эволюции в 2D, повысив физическую точность ядерного горения и расширив область звезды, которую они моделируют, добавив еще больше реализма. Для изучения этих астрофизических систем используются другие установки, но они решают другие аспекты проблемы. Установка для получения пучков редких изотопов, или FRIB, в Мичиганском государственном университете запустила самый мощный в мире ускоритель тяжелых ионов. FRIB исследует богатые протонами ядра, которые образуются при рентгеновских вспышках, и команда Зингейла сможет использовать эти данные для улучшения своих собственных симуляций. "Мы близки к моделированию распространения пламени по всей звезде от полюса до полюса. Это захватывающе", - сказал Зингейл.
|
|
|
|
Источник
|
