Los astrofísicos utilizan supercomputadoras para explorar extraños fenómenos estelares

Comprender cómo las llamas termonucleares se propagan por la superficie de una estrella de neutrones (y qué puede decirnos esa propagación sobre la relación entre la masa de una estrella de neutrones y su radio) también puede revelar mucho sobre la formación de la estrella.

Las estrellas de neutrones, restos compactos de explosiones de supernovas, existen en todo el universo. Dado que la mayoría de las estrellas existen en sistemas binarios, es posible que una estrella de neutrones tenga una compañera estelar. Las explosiones de rayos X ocurren cuando la materia de una estrella de neutrones se acumula desde su compañera y es comprimida por la intensa gravedad de la estrella de neutrones, lo que resulta en una explosión termonuclear.

Astrofísicos de la Universidad Estatal de Nueva York, Stony Brook, y de la Universidad de California, Berkeley, utilizaron la supercomputadora del Oak Ridge Leadership Computing Facility para comparar modelos de ráfagas de rayos X 2D y 3D. La OLCF es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE.

La potencia informática de alto rendimiento de Summit, acelerada por unidades de procesamiento de gráficos o GPU, fue un factor crítico en la capacidad del equipo para realizar simulaciones 3D. Todo el trabajo computacional se descarga a las GPU. Esto permitió al equipo ejecutar simulaciones más rápido usando todas las GPU en el nodo de cómputo de Summit que usando todos los núcleos de CPU o GPU del nodo. (El vértice contiene 4608 nodos, cada uno de los cuales contiene dos CPU IBM POWER9 y seis GPU NVIDIA Volta).

«Podemos ver estos eventos sucediendo con mayor detalle a través de simulaciones. Una de las cosas que queremos hacer es comprender las propiedades de la estrella de neutrones porque queremos entender cómo se comporta la materia en las densidades extremas que se encuentran en una estrella de neutrones». dijo Michael Zingale, quien dirigió el proyecto y es profesor en el Departamento de Física y Astronomía de SUNY Stony Brook.

Al comparar modelos informáticos de llamas termonucleares con la radiación de explosión de rayos X observada, los investigadores pueden imponer restricciones al tamaño de la fuente para calcular el radio de la estrella de neutrones.

Las estrellas de neutrones tienen entre 1,4 y 2 veces la masa del Sol, aunque su diámetro promedio es de sólo 12 millas. La masa y el radio son factores importantes para comprender el interior de las estrellas de neutrones en función de cómo se comporta la materia en condiciones extremas. Este comportamiento está determinado por la «ecuación de estado» de la estrella, una descripción de cómo la presión interna y la energía en una estrella de neutrones responden a los cambios en su densidad, temperatura y composición.

El estudio produjo una simulación 3D basada en conocimientos de una simulación 2D anterior que el equipo realizó para modelar la llama de una explosión de rayos X que se mueve a través de la superficie de una estrella de neutrones. El estudio 2D se centró en la propagación de la llama en diferentes condiciones, como la temperatura de la superficie y la velocidad de rotación. Las simulaciones 2D indicaron que diferentes condiciones físicas conducían a diferentes velocidades de propagación de la llama.

Para ampliar estos resultados, la simulación 3D utilizó el código de Castro y su biblioteca central AMReX, que se ejecuta en el sistema de exaescala de Summit. La biblioteca AMReX fue desarrollada por Exascale Computing Project para ayudar a que las aplicaciones científicas se ejecuten en sistemas de exaescala DOE, incluida la supercomputadora HPE Cray EX de OLCF, Frontier. Simulación resultados Publicado en Diario astrofísico.

«El gran objetivo es siempre correlacionar las simulaciones de estos eventos con lo que observamos», dijo Zingale. «Nuestro objetivo es comprender cómo es una estrella primaria, y es vital explorar lo que estos modelos pueden hacer en todas las dimensiones».

La simulación 3D del equipo se centró en la evolución temprana de la llama y utilizó la temperatura de la corteza de una estrella de neutrones millones de veces más caliente que la del Sol, con una velocidad de rotación de 1.000 Hz. La llama 3D no permanece perfectamente circular mientras se propaga alrededor de la estrella de neutrones, por lo que el equipo utilizó la masa del material de ceniza producido por la llama para determinar qué tan rápido se produjo la combustión en comparación con la combustión de una llama 2D.

Aunque la quema fue ligeramente más rápida en el modelo 2D, las tendencias de crecimiento en ambas simulaciones fueron similares. La concordancia entre los modelos indica que las simulaciones 2D siguen siendo una buena herramienta para modelar la llama que se propaga en la superficie de una estrella de neutrones.

Sin embargo, se necesitarán simulaciones en 3D para capturar interacciones más complejas, como la turbulencia que encontrará la llama a medida que se propaga, causada por la quema convectiva de la estrella en la capa de materia en acreción. La turbulencia es fundamentalmente diferente entre 2D y 3D.

Además, el equipo puede aplicar los «ahorros» que obtuvieron al poder seguir tanta evolución en 2D al aumentar la fidelidad física de la combustión nuclear y expandir la región de la estrella que están simulando, agregando más realismo.

Se utilizan otras instalaciones para estudiar estos sistemas astrofísicos, pero abordan otras partes del problema. La Instalación de Haz de Isótopos Raros (FRIB, por sus siglas en inglés) de la Universidad Estatal de Michigan ha lanzado el acelerador de iones pesados ​​más potente del mundo. FRIB explorará núcleos ricos en protones creados por explosiones de rayos X y el equipo de Zingale podrá utilizar esos datos para mejorar sus simulaciones.

«Estamos a punto de modelar la llama que se extiende por toda la estrella, de polo a polo. Es emocionante», dijo Zingale.