Neutronensterren – de compacte overblijfselen van supernova-explosies – zijn overal in het universum te vinden. Omdat de meeste sterren zich in binaire systemen bevinden, is het mogelijk dat een neutronenster een stellaire begeleider heeft. Röntgenuitbarstingen ontstaan ​​wanneer materie zich ophoopt op het oppervlak van de neutronenster van zijn begeleider en wordt samengedrukt door de intense zwaartekracht van de neutronenster, wat resulteert in een thermonucleaire explosie.

Astrofysici van de State University of New York, Stony Brook, en University of California, Berkeley, gebruikten de Summit-supercomputer van Oak Ridge Leadership Computing Facility om modellen van röntgenuitbarstingen in 2D en 3D te vergelijken. De OLCF is een gebruikersfaciliteit van het Department of Energy Office of Science, gevestigd in het Oak Ridge National Laboratory van DOE.

De krachtige rekenkracht van Summit, versneld door de grafische verwerkingseenheden (GPU's), was een cruciale factor in het vermogen van het team om de 3D-simulaties uit te voeren. Al het rekenwerk werd overgebracht naar de GPU's. Hierdoor kon het team de simulaties ruim een ​​orde van grootte sneller uitvoeren met behulp van alle GPU's op een Summit-computerknooppunt, vergeleken met het gebruik van alle centrale verwerkingseenheden (CPU-kernen) op het knooppunt. (Summit heeft 4.608 knooppunten, die elk twee IBM POWER9 CPU's en zes NVIDIA Volta GPU's bevatten.)

‘Met een simulatie kunnen we deze gebeurtenissen tot in de kleinste details zien gebeuren. Een van de dingen die we willen doen is de eigenschappen van de neutronenster begrijpen, omdat we willen begrijpen hoe materie zich gedraagt ​​bij de extreme dichtheden die je in een neutronenster aantreft. " zei Michael Zingale, die het project leidde en professor is aan de afdeling Natuurkunde en Sterrenkunde van SUNY Stony Brook.

Door computermodellen van de thermonucleaire vlammen te vergelijken met waargenomen röntgenstraling, kunnen onderzoekers beperkingen stellen aan de grootte van de bron om de straal van de neutronenster te berekenen.

Neutronensterren hebben ongeveer 1,4 tot 2 keer de massa van de zon, ondanks een gemiddelde diameter van slechts 19 kilometer. Massa en stralen zijn belangrijke factoren bij het begrijpen van de binnenkant van neutronensterren op basis van hoe materie zich gedraagt ​​onder extreme omstandigheden. Dit gedrag wordt bepaald door de 'toestandsvergelijking' van de ster. Dit is een beschrijving van hoe de druk en de interne energie in een neutronenster reageren op veranderingen in de dichtheid, temperatuur en samenstelling.

De studie genereerde een 3D-simulatie op basis van inzichten uit een eerdere 2D-simulatie die het team had uitgevoerd om een ​​röntgenuitbarstingsvlam te modelleren die over het oppervlak van de neutronenster beweegt. Het 2D-onderzoek concentreerde zich op de voortplanting van de vlam onder verschillende omstandigheden, zoals oppervlaktetemperatuur en rotatiesnelheid. De 2D-simulatie gaf aan dat verschillende fysieke omstandigheden tot verschillende vlamverspreidingssnelheden leidden.

Om deze resultaten uit te breiden, gebruikte de 3D-simulatie de Castro-code en de onderliggende exascale AMReX-bibliotheek op Summit. De AMReX-bibliotheek is ontwikkeld door het Exascale Computing Project om wetenschappelijke toepassingen te helpen draaien op de exascale-systemen van DOE, waaronder de HPE Cray EX-supercomputer van het OLCF, Frontier. De simulatieresultaten zijn gepubliceerd in The Astrophysical Journal .

"Het grote doel is altijd om de simulaties van deze gebeurtenissen te verbinden met wat we hebben waargenomen", zei Zingal. "We willen begrijpen hoe de onderliggende ster eruit ziet, en het is van cruciaal belang om te onderzoeken wat deze modellen in verschillende dimensies kunnen doen."

De 3D-simulatie van het team concentreerde zich op de vroege evolutie van de vlam en maakte gebruik van een neutronensterkorsttemperatuur die enkele miljoenen keren heter was dan die van de zon, met een rotatiesnelheid van 1.000 hertz. De 3D-vlam blijft niet perfect cirkelvormig terwijl deze zich rond de neutronenster voortplant. Daarom gebruikte het team de massa van het asmateriaal dat door de vlam werd geproduceerd om te bepalen hoe snel de verbranding plaatsvond in vergelijking met de verbranding van de 2D-vlam.

Hoewel de verbranding in het 2D-model iets sneller verliep, waren de groeitrends in beide simulaties vergelijkbaar. De overeenkomst tussen de modellen gaf aan dat 2D-simulatie een goed hulpmiddel blijft voor het modelleren van de vlamverspreiding op het oppervlak van de neutronenster.

Er zullen echter 3D-simulaties nodig zijn om complexere interacties vast te leggen, zoals de turbulentie die de vlam zal tegenkomen terwijl deze zich voortplant, veroorzaakt door de convectieve verbranding van de ster in de aangegroeide laag materie. Turbulentie is fundamenteel verschillend in 2D en 3D.

Bovendien kan het team de ‘besparingen’ die ze realiseren door een groot deel van de evolutie in 2D te kunnen volgen, toepassen door de fysieke betrouwbaarheid van de nucleaire verbranding te vergroten en het gebied van de ster die ze simuleren uit te breiden, wat nog meer realisme toevoegt. P>

Andere faciliteiten worden gebruikt om deze astrofysische systemen te bestuderen, maar pakken ook andere delen van het probleem aan. De Facility for Rare Isotope Beams, of FRIB, aan de Michigan State University heeft 's werelds krachtigste zware-ionenversneller gelanceerd. FRIB zal de protonenrijke kernen onderzoeken die ontstaan ​​door röntgenuitbarstingen, en het team van Zingale zal die gegevens kunnen gebruiken om zijn eigen simulaties te verbeteren.

"We zijn dicht bij het modelleren van de vlam die zich over de hele ster van pool tot pool verspreidt. Het is spannend", zei Zingal.

Meer informatie: Michael Zingale et al., Vergelijking van de vroege evolutie van vlammen in röntgenuitbarstingen in twee en drie dimensies, The Astrophysical Journal (2023). DOI:10.3847/1538-4357/ace04e

Journaalinformatie: Astrofysisch tijdschrift

Geleverd door Oak Ridge National Laboratory