In het hart van enkele van de kleinste en dichtste sterren in het universum bevindt zich nucleaire materie die zou kunnen bestaan ​​in nooit eerder waargenomen exotische fasen. Neutronen sterren, die ontstaan ​​wanneer de kernen van massieve sterren instorten in een lichtgevende supernova-explosie, waarvan wordt gedacht dat ze materie bevatten met energieën die groter zijn dan wat kan worden bereikt in experimenten met deeltjesversnellers, zoals die bij de Large Hadron Collider en de Relativistic Heavy Ion Collider.

Hoewel wetenschappers deze extreme omstandigheden op aarde niet kunnen nabootsen, ze kunnen neutronensterren gebruiken als kant-en-klare laboratoria om exotische materie beter te begrijpen. Neutronensterren simuleren, waarvan vele slechts 12,5 mijl in diameter zijn, maar ongeveer 1,4 tot twee keer de massa van onze zon hebben, kunnen inzicht geven in de materie die zich in hun interieur zou kunnen bevinden en aanwijzingen geven over hoe het zich gedraagt ​​bij dergelijke dichtheden.

Een team van nucleaire astrofysici onder leiding van Michael Zingale van de Stony Brook University gebruikt de IBM AC922 Summit van de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), de snelste supercomputer van het land, om een ​​neutronensterfenomeen te modelleren dat een röntgenuitbarsting wordt genoemd - een thermonucleaire explosie die optreedt op het oppervlak van een neutronenster wanneer zijn zwaartekrachtveld een voldoende grote hoeveelheid materie van een nabije ster trekt. Nutsvoorzieningen, het team heeft een 2D X-ray burst-vlam gemodelleerd die over het oppervlak van een neutronenster beweegt om te bepalen hoe de vlam onder verschillende omstandigheden werkt. Door dit astrofysische fenomeen te simuleren, krijgen wetenschappers gegevens waarmee ze de stralen van neutronensterren beter kunnen meten, een waarde die cruciaal is voor het bestuderen van de fysica in het binnenste van neutronensterren. De resultaten zijn gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift .

"Astronomen kunnen röntgenuitbarstingen gebruiken om de straal van een neutronenster te meten, wat een uitdaging is omdat het zo klein is, "zei Zingale. "Als we de straal kennen, we kunnen de eigenschappen van een neutronenster bepalen en de materie begrijpen die in het centrum leeft. Onze simulaties zullen helpen om de fysica van het branden van röntgenstralen te verbinden met waarnemingen."

De groep ontdekte dat verschillende initiële modellen en fysica tot verschillende resultaten leidden. In de volgende fase van het project, het team is van plan om één grote 3D-simulatie uit te voeren op basis van de resultaten van het onderzoek om een ​​nauwkeuriger beeld te krijgen van het fenomeen röntgenburst.

Schakelfysica

Neutronenstersimulaties vereisen een enorme hoeveelheid fysica-invoer en daarom een ​​enorme hoeveelheid rekenkracht. Zelfs op Top, onderzoekers kunnen het zich slechts veroorloven om een ​​klein deel van het oppervlak van de neutronenster te modelleren.

Om het gedrag van de vlam nauwkeurig te begrijpen, Zingale's team gebruikte Summit om de vlam te modelleren voor verschillende kenmerken van de onderliggende neutronenster. De simulaties van het team werden voltooid onder een toewijzing van rekentijd in het kader van het programma Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE). Het team varieerde oppervlaktetemperaturen en rotatiesnelheden, deze gebruiken als proxy's voor verschillende accretiesnelheden - of hoe snel de ster in massa toeneemt als deze extra materie van een nabije ster verzamelt.

Alice Harpole, een postdoctoraal onderzoeker aan de Stony Brook University en hoofdauteur van het papier, suggereerde dat het team een ​​hetere korst zou modelleren, wat tot onverwachte resultaten leidt.

"Een van de meest opwindende resultaten van dit project was wat we zagen toen we de temperatuur van de korst in onze simulaties varieerden, "Zei Harpole. "In ons vorige werk, we gebruikten een koelere korst. Ik dacht dat het misschien verschil zou maken om een ​​hetere korst te gebruiken, maar eigenlijk was het heel interessant om het verschil te zien dat de verhoogde temperatuur produceerde."

Massief computergebruik, meer complexiteit

Het team heeft het fenomeen X-ray burst flame gemodelleerd op de OLCF-top in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). Nicole Ford, een stagiair in het Science Undergraduate Laboratory Internship Program bij Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), voerde aanvullende simulaties uit op de Cori-supercomputer van het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). De OLCF en NERSC zijn een DOE Office of Science gebruikersfaciliteiten in ORNL en LBNL, respectievelijk.

Met simulaties van 9, 216 rastercellen in horizontale richting en 1, 536 cellen in verticale richting, de inspanning vereiste een enorme hoeveelheid rekenkracht. Nadat het team de simulaties had voltooid, teamleden gebruikten het Rhea-systeem van OLCF om hun resultaten te analyseren en in kaart te brengen.

Op de top, het team gebruikte de Castro-code - die in staat is explosieve astrofysische verschijnselen te modelleren - in de adaptieve mesh-verfijning voor de exascale (AMReX) -bibliotheek, waardoor teamleden verschillende resoluties konden bereiken op verschillende delen van het raster. AMReX is een van de bibliotheken die wordt ontwikkeld door het Exascale Computing Project, een poging om wetenschappelijke toepassingen aan te passen om te draaien op DOE's aankomende exascale-systemen, inclusief de OLCF's Frontier. Exascale-systemen zullen in staat zijn om in het exaflops-bereik te rekenen, of 10 ¹⁸ berekeningen per seconde.

AMReX biedt een raamwerk voor parallellisatie op supercomputers, maar Castro was niet altijd in staat om te profiteren van de GPU's die Summit zo aantrekkelijk maken voor wetenschappelijk onderzoek. Het team woonde door OLCF gehoste hackathons bij in Brookhaven National Laboratory en ORNL om hulp te krijgen bij het overzetten van de code naar de GPU's van Summit.

"De hackathons waren ongelooflijk nuttig voor ons om te begrijpen hoe we de GPU's van Summit voor deze inspanning konden gebruiken, "Zei Zingale. "Toen we overstapten van CPU's naar GPU's, onze code liep 10 keer sneller. Hierdoor konden we minder benaderingen maken en fysiek realistischere en langere simulaties uitvoeren."

Het team zei dat de aanstaande 3D-simulatie die ze van plan zijn uit te voeren niet alleen GPU's vereist, maar dat het het hele jaar door bijna alle INCITE-tijd van het team zal opslokken.

"We moeten al het mogelijke doen om te presteren, "zei Zingale. "Gelukkig, we hebben van deze 2D-simulaties geleerd wat we moeten doen voor onze 3D-simulatie, dus we zijn voorbereid op onze volgende grote onderneming."