Al centro di alcune delle stelle più piccole e dense dell'universo si trova la materia nucleare che potrebbe esistere in fasi esotiche mai osservate prima. stelle di neutroni, che si formano quando i nuclei di stelle massicce collassano in un'esplosione di supernova luminosa, si pensa che contengano materia a energie maggiori di quelle ottenibili negli esperimenti con acceleratori di particelle, come quelli al Large Hadron Collider e al Relativistic Heavy Ion Collider.

Sebbene gli scienziati non possano ricreare queste condizioni estreme sulla Terra, possono usare le stelle di neutroni come laboratori già pronti per comprendere meglio la materia esotica. Simulazione di stelle di neutroni, molti dei quali hanno solo 12,5 miglia di diametro ma vantano da 1,4 a due volte la massa del nostro sole, possono fornire informazioni sulla materia che potrebbe esistere al loro interno e fornire indizi su come si comporta a tali densità.

Un team di astrofisici nucleari guidato da Michael Zingale della Stony Brook University sta utilizzando l'IBM AC922 Summit dell'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), il supercomputer più veloce della nazione, per modellare un fenomeno di stella di neutroni chiamato scoppio di raggi X, un'esplosione termonucleare che si verifica sulla superficie di una stella di neutroni quando il suo campo gravitazionale attira una quantità sufficientemente grande di materia da una stella vicina. Ora, il team ha modellato una fiamma a scoppio di raggi X 2D che si muove sulla superficie di una stella di neutroni per determinare come agisce la fiamma in condizioni diverse. La simulazione di questo fenomeno astrofisico fornisce agli scienziati dati che possono aiutarli a misurare meglio i raggi delle stelle di neutroni, un valore cruciale per lo studio della fisica all'interno delle stelle di neutroni. I risultati sono stati pubblicati nel Giornale Astrofisico .

"Gli astronomi possono usare i lampi di raggi X per misurare il raggio di una stella di neutroni, che è una sfida perché è così piccolo, " disse Zingale. "Se conosciamo il raggio, possiamo determinare le proprietà di una stella di neutroni e comprendere la materia che vive al suo centro. Le nostre simulazioni aiuteranno a collegare la fisica della fiamma a scoppio di raggi X che brucia alle osservazioni".

Il gruppo ha scoperto che diversi modelli iniziali e fisica hanno portato a risultati diversi. Nella fase successiva del progetto, il team prevede di eseguire una grande simulazione 3D basata sui risultati dello studio per ottenere un'immagine più accurata del fenomeno del burst di raggi X.

Fisica del cambio

Le simulazioni di stelle di neutroni richiedono un'enorme quantità di input fisici e quindi un'enorme quantità di potenza di calcolo. Anche in vetta, i ricercatori possono permettersi di modellare solo una piccola porzione della superficie della stella di neutroni.

Per comprendere con precisione il comportamento della fiamma, Il team di Zingale ha utilizzato Summit per modellare la fiamma per varie caratteristiche della stella di neutroni sottostante. Le simulazioni del team sono state completate nell'ambito di un'allocazione del tempo di calcolo nell'ambito del programma Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE). Il team ha variato le temperature superficiali e i tassi di rotazione, usando questi come proxy per diversi tassi di accrescimento, o quanto velocemente la stella aumenta di massa man mano che accumula materia aggiuntiva da una stella vicina.

Alice Harpole, un ricercatore post-dottorato presso la Stony Brook University e autore principale dell'articolo, ha suggerito al team di modellare una crosta più calda, portando a risultati inaspettati.

"Uno dei risultati più entusiasmanti di questo progetto è stato quello che abbiamo visto quando abbiamo variato la temperatura della crosta nelle nostre simulazioni, "Ha detto Harpole. "Nel nostro lavoro precedente, abbiamo usato una crosta più fresca. Ho pensato che potesse fare la differenza usare una crosta più calda, ma in realtà vedere la differenza prodotta dall'aumento della temperatura è stato molto interessante."

Elaborazione massiccia, più complessità

Il team ha modellato il fenomeno della fiamma a scoppio di raggi X sul vertice dell'OLCF presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE). Nicole Ford, uno stagista nel programma di tirocinio presso il laboratorio universitario scientifico del Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), ha eseguito simulazioni complementari sul supercomputer Cori presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). L'OLCF e il NERSC sono strutture per gli utenti dell'Office of Science del DOE situate presso ORNL e LBNL, rispettivamente.

Con simulazioni di 9, 216 celle della griglia in direzione orizzontale e 1, 536 celle in direzione verticale, lo sforzo ha richiesto una quantità enorme di potenza di calcolo. Dopo che il team ha completato le simulazioni, i membri del team hanno sfruttato il sistema Rhea dell'OLCF per analizzare e tracciare i risultati.

in vetta, il team ha utilizzato il codice Castro, in grado di modellare fenomeni astrofisici esplosivi, nel perfezionamento della mesh adattiva per la libreria exascale (AMReX), che ha permesso ai membri del team di ottenere risoluzioni diverse in diverse parti della griglia. AMReX è una delle librerie sviluppate dall'Exascale Computing Project, uno sforzo per adattare le applicazioni scientifiche per l'esecuzione sui prossimi sistemi esascala del DOE, compresa la frontiera dell'OLCF. I sistemi Exascale saranno in grado di calcolare nell'intervallo exaflops, o 10 ¹⁸ calcoli al secondo.

AMReX fornisce un framework per la parallelizzazione su supercomputer, ma Castro non è sempre stato in grado di sfruttare le GPU che rendono Summit così attraente per la ricerca scientifica. Il team ha partecipato agli hackathon ospitati dall'OLCF presso il Brookhaven National Laboratory e l'ORNL per ottenere assistenza con il porting del codice sulle GPU di Summit.

"Gli hackathon ci sono stati incredibilmente utili per capire come sfruttare le GPU di Summit per questo sforzo, " Zingale ha detto. "Quando siamo passati dalle CPU alle GPU, il nostro codice è stato eseguito 10 volte più velocemente. Questo ci ha permesso di fare meno approssimazioni ed eseguire simulazioni fisicamente più realistiche e più lunghe."

Il team ha affermato che la prossima simulazione 3D che intendono eseguire non richiederà solo GPU, ma consumerà quasi tutto il tempo INCITE del team per l'intero anno.

"Dobbiamo ottenere tutte le prestazioni possibili, " Disse Zingale. "Per fortuna, abbiamo imparato da queste simulazioni 2D cosa dobbiamo fare per la nostra simulazione 3D, quindi siamo pronti per la nostra prossima grande impresa".