Le stelle di neutroni, i resti compatti delle esplosioni di supernova, si trovano in tutto l'universo. Poiché la maggior parte delle stelle si trova in sistemi binari, è possibile che una stella di neutroni abbia una compagna stellare. I lampi di raggi X si verificano quando la materia si accumula sulla superficie della stella di neutroni dalla sua compagna e viene compressa dall'intensa gravità della stella di neutroni, provocando un'esplosione termonucleare.

Gli astrofisici della State University di New York, Stony Brook, e dell'Università della California, Berkeley, hanno utilizzato il supercomputer Summit della Oak Ridge Leadership Computing Facility per confrontare modelli di lampi di raggi X in 2D e 3D. L'OLCF è una struttura per gli utenti dell'Ufficio scientifico del Dipartimento dell'Energia situata presso l'Oak Ridge National Laboratory del DOE.

La potenza di calcolo ad alte prestazioni di Summit, accelerata dalle sue unità di elaborazione grafica, o GPU, è stata un fattore critico nella capacità del team di eseguire le simulazioni 3D. Tutto il lavoro computazionale è stato scaricato sulle GPU. Ciò ha consentito al team di eseguire le simulazioni più di un ordine di grandezza più velocemente utilizzando tutte le GPU su un nodo di calcolo Summit rispetto all'utilizzo di tutti i core dell'unità di elaborazione centrale, o CPU, sul nodo. (Summit ha 4.608 nodi, ciascuno dei quali contiene due CPU IBM POWER9 e sei GPU NVIDIA Volta.)

"Possiamo vedere questi eventi accadere in modo più dettagliato con una simulazione. Una delle cose che vogliamo fare è comprendere le proprietà della stella di neutroni perché vogliamo capire come si comporta la materia alle densità estreme che si troverebbero in una stella di neutroni, " ha affermato Michael Zingale, che ha guidato il progetto ed è professore presso il dipartimento di Fisica e Astronomia della SUNY Stony Brook.

Confrontando i modelli computerizzati delle fiamme termonucleari con la radiazione di burst di raggi X osservata, i ricercatori possono imporre vincoli alla dimensione della sorgente per calcolare il raggio della stella di neutroni.

Le stelle di neutroni hanno da 1,4 a 2 volte la massa del Sole nonostante abbiano un diametro medio di sole 12 miglia. La massa e i raggi sono fattori importanti per comprendere l'interno delle stelle di neutroni in base al comportamento della materia in condizioni estreme. Questo comportamento è determinato dall'"equazione di stato" della stella, che è una descrizione di come la pressione e l'energia interna in una stella di neutroni rispondono ai cambiamenti nella sua densità, temperatura e composizione.

Lo studio ha generato una simulazione 3D basata sulle intuizioni di una precedente simulazione 2D che il team aveva eseguito per modellare una fiamma di raggi X che si muoveva attraverso la superficie della stella di neutroni. Lo studio 2D si è concentrato sulla propagazione della fiamma in diverse condizioni come la temperatura superficiale e la velocità di rotazione. La simulazione 2D ha indicato che diverse condizioni fisiche hanno portato a diversi tassi di propagazione della fiamma.

Estendendo questi risultati, la simulazione 3D ha utilizzato il codice Castro e la libreria AMReX exascala sottostante su Summit. La libreria AMReX è stata sviluppata dall'Exascale Computing Project per aiutare le applicazioni scientifiche a funzionare sui sistemi exascale del DOE, incluso il supercomputer HPE Cray EX di OLCF, Frontier. I risultati della simulazione sono stati pubblicati su The Astrophysical Journal .

"L'obiettivo principale è sempre quello di collegare le simulazioni di questi eventi a ciò che abbiamo osservato", ha detto Zingale. "Il nostro obiettivo è capire come appare la stella sottostante ed esplorare cosa possono fare questi modelli nelle varie dimensioni è fondamentale."

La simulazione 3D del team si è concentrata sull’evoluzione iniziale della fiamma e ha utilizzato la temperatura della crosta di una stella di neutroni diversi milioni di volte più calda di quella del Sole, con una velocità di rotazione di 1.000 hertz. La fiamma 3D non rimane perfettamente circolare mentre si propaga attorno alla stella di neutroni, quindi il team ha utilizzato la massa del materiale di cenere prodotto dalla fiamma per determinare la rapidità con cui si è verificata la combustione rispetto alla combustione della fiamma 2D.

Sebbene la combustione fosse leggermente più veloce nel modello 2D, le tendenze di crescita in entrambe le simulazioni erano simili. L'accordo tra i modelli ha indicato che la simulazione 2D rimane un buon strumento per modellare la propagazione della fiamma sulla superficie della stella di neutroni.

Tuttavia, saranno necessarie simulazioni 3D per catturare interazioni più complesse, come la turbolenza che la fiamma incontrerà mentre si propaga, creata dalla combustione convettiva della stella nello strato di materia accumulata. La turbolenza è fondamentalmente diversa in 2D e 3D.

Inoltre, il team può applicare il "risparmio" ottenuto dalla possibilità di seguire gran parte dell'evoluzione in 2D, aumentando la fedeltà fisica della combustione nucleare ed espandendo la regione della stella simulata, aggiungendo ancora più realismo.

Altre strutture vengono utilizzate per studiare questi sistemi astrofisici, ma stanno affrontando altre parti del problema. La Facility for Rare Isotope Beams, o FRIB, presso la Michigan State University ha lanciato l'acceleratore di ioni pesanti più potente al mondo. FRIB esplorerà i nuclei ricchi di protoni creati dai lampi di raggi X e il team di Zingale sarà in grado di utilizzare tali dati per migliorare le proprie simulazioni.

"Siamo vicini a modellare la diffusione della fiamma su tutta la stella da un polo all'altro. È emozionante", ha detto Zingale.