En el corazón de algunas de las estrellas más pequeñas y densas del universo se encuentra materia nuclear que podría existir en fases exóticas nunca antes observadas. Estrellas de neutrones, que se forman cuando los núcleos de estrellas masivas colapsan en una explosión de supernova luminosa, se cree que contienen materia a energías mayores que las que se pueden lograr en experimentos con aceleradores de partículas, como los del Gran Colisionador de Hadrones y el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativista.

Aunque los científicos no pueden recrear estas condiciones extremas en la Tierra, pueden usar estrellas de neutrones como laboratorios prefabricados para comprender mejor la materia exótica. Simulando estrellas de neutrones, muchos de los cuales tienen solo 12.5 millas de diámetro pero cuentan con alrededor de 1.4 a dos veces la masa de nuestro sol, puede proporcionar información sobre la materia que podría existir en sus interiores y dar pistas sobre cómo se comporta en tales densidades.

Un equipo de astrofísicos nucleares dirigido por Michael Zingale en la Universidad de Stony Brook está utilizando la Cumbre IBM AC922 de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), la supercomputadora más rápida del país, para modelar un fenómeno de estrella de neutrones llamado estallido de rayos X, una explosión termonuclear que ocurre en la superficie de una estrella de neutrones cuando su campo gravitacional extrae una cantidad suficientemente grande de materia de una estrella cercana. Ahora, El equipo ha modelado una llamarada de rayos X en 2D que se mueve a través de la superficie de una estrella de neutrones para determinar cómo actúa la llama en diferentes condiciones. La simulación de este fenómeno astrofísico proporciona a los científicos datos que pueden ayudarlos a medir mejor los radios de las estrellas de neutrones. un valor crucial para el estudio de la física en el interior de las estrellas de neutrones. Los resultados fueron publicados en el Diario astrofísico .

"Los astrónomos pueden usar ráfagas de rayos X para medir el radio de una estrella de neutrones, que es un desafío porque es muy pequeño, ", Dijo Zingale." Si conocemos el radio, podemos determinar las propiedades de una estrella de neutrones y comprender la materia que vive en su centro. Nuestras simulaciones ayudarán a conectar la física de la llamarada de rayos X ardiendo con las observaciones ".

El grupo descubrió que diferentes modelos y físicas iniciales conducían a resultados diferentes. En la siguiente fase del proyecto, el equipo planea ejecutar una gran simulación 3D basada en los resultados del estudio para obtener una imagen más precisa del fenómeno de la explosión de rayos X.

Cambio de física

Las simulaciones de estrellas de neutrones requieren una enorme cantidad de información física y, por lo tanto, una enorme cantidad de potencia de cálculo. Incluso en Summit, los investigadores solo pueden permitirse modelar una pequeña parte de la superficie de la estrella de neutrones.

Para comprender con precisión el comportamiento de la llama, El equipo de Zingale utilizó Summit para modelar la llama de varias características de la estrella de neutrones subyacente. Las simulaciones del equipo se completaron bajo una asignación de tiempo de computación bajo el programa Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE). El equipo varió las temperaturas de la superficie y las tasas de rotación, utilizando estos como sustitutos para diferentes tasas de acreción, o la rapidez con que la estrella aumenta en masa a medida que acumula materia adicional de una estrella cercana.

Alice Harpole, investigador postdoctoral en la Universidad de Stony Brook y autor principal del artículo, sugirió que el equipo modelara una corteza más caliente, conduciendo a resultados inesperados.

"Uno de los resultados más emocionantes de este proyecto fue lo que vimos cuando variamos la temperatura de la corteza en nuestras simulaciones, "Dijo Harpole." En nuestro trabajo anterior, utilizamos una corteza más fría. Pensé que podría marcar la diferencia usar una corteza más caliente, pero ver la diferencia que produjo el aumento de temperatura fue muy interesante ".

Computación masiva, mas complejidad

El equipo modeló el fenómeno de la llamarada de rayos X en la Cumbre de la OLCF en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). Nicole Ford, pasante en el Programa de pasantías de laboratorio de pregrado de ciencias en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL), realizó simulaciones complementarias en la supercomputadora Cori en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC). La OLCF y NERSC son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicadas en ORNL y LBNL, respectivamente.

Con simulaciones de 9, 216 celdas de cuadrícula en la dirección horizontal y 1, 536 celdas en dirección vertical, el esfuerzo requirió una enorme cantidad de potencia informática. Una vez que el equipo completó las simulaciones, Los miembros del equipo aprovecharon el sistema Rhea de la OLCF para analizar y trazar sus resultados.

En la Cumbre, el equipo utilizó el código de Castro, que es capaz de modelar fenómenos astrofísicos explosivos, en el refinamiento de malla adaptativa para la biblioteca de exaescala (AMReX), lo que permitió a los miembros del equipo lograr resoluciones variables en diferentes partes de la cuadrícula. AMReX es una de las bibliotecas que está desarrollando el Exascale Computing Project, un esfuerzo por adaptar las aplicaciones científicas para que se ejecuten en los próximos sistemas de exaescala del DOE, incluyendo la Frontera de la OLCF. Los sistemas exaescala serán capaces de calcular en el rango exaflops, o 10 ¹⁸ cálculos por segundo.

AMReX proporciona un marco para la paralelización en supercomputadoras, pero Castro no siempre fue capaz de aprovechar las GPU que hacen que Summit sea tan atractivo para la investigación científica. El equipo asistió a hackatones organizados por OLCF en el Laboratorio Nacional de Brookhaven y ORNL para obtener ayuda para trasladar el código a las GPU de Summit.

"Los hackatones nos resultaron increíblemente útiles para comprender cómo podíamos aprovechar las GPU de Summit para este esfuerzo, ", Dijo Zingale." Cuando hicimos la transición de CPU a GPU, nuestro código se ejecutó 10 veces más rápido. Esto nos permitió hacer menos aproximaciones y realizar simulaciones más realistas físicamente y más largas ".

El equipo dijo que la próxima simulación 3D que planean ejecutar no solo requerirá GPU, sino que consumirá casi todo el tiempo INCITE del equipo durante todo el año.

"Necesitamos obtener todo el rendimiento que podamos, "Dijo Zingale." Afortunadamente, hemos aprendido de estas simulaciones 2D lo que debemos hacer para nuestra simulación 3D, así que estamos preparados para nuestro próximo gran esfuerzo ".