Las estrellas de neutrones (los restos compactos de explosiones de supernovas) se encuentran en todo el universo. Como la mayoría de las estrellas se encuentran en sistemas binarios, es posible que una estrella de neutrones tenga una compañera estelar. Las explosiones de rayos X ocurren cuando la materia de su compañera se acumula en la superficie de la estrella de neutrones y es comprimida por la intensa gravedad de la estrella de neutrones, lo que resulta en una explosión termonuclear.

Astrofísicos de la Universidad Estatal de Nueva York, Stony Brook, y de la Universidad de California, Berkeley, utilizaron la supercomputadora Summit del Oak Ridge Leadership Computing Facility para comparar modelos de explosiones de rayos X en 2D y 3D. El OLCF es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía ubicada en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE.

La potencia informática de alto rendimiento de Summit, acelerada por sus unidades de procesamiento de gráficos o GPU, fue un factor crítico en la capacidad del equipo para realizar simulaciones 3D. Todo el trabajo computacional se descargó a las GPU. Esto permitió al equipo ejecutar las simulaciones más de un orden de magnitud más rápido usando todas las GPU en un nodo de cómputo Summit en comparación con el uso de todos los núcleos de la unidad central de procesamiento, o CPU, en el nodo. (Summit tiene 4608 nodos, cada uno de los cuales contiene dos CPU IBM POWER9 y seis GPU NVIDIA Volta).

"Podemos ver cómo suceden estos eventos con mayor detalle con una simulación. Una de las cosas que queremos hacer es comprender las propiedades de la estrella de neutrones porque queremos entender cómo se comporta la materia en las densidades extremas que se encuentran en una estrella de neutrones. " dijo Michael Zingale, quien dirigió el proyecto y es profesor en el departamento de Física y Astronomía de SUNY Stony Brook.

Al comparar los modelos informáticos de las llamas termonucleares con la radiación de explosión de rayos X observada, los investigadores pueden imponer restricciones al tamaño de la fuente para calcular el radio de la estrella de neutrones.

Las estrellas de neutrones tienen entre 1,4 y 2 veces la masa del Sol a pesar de tener en promedio sólo 12 millas de diámetro. La masa y los radios son factores importantes para comprender el interior de las estrellas de neutrones en función de cómo se comporta la materia en condiciones extremas. Este comportamiento está determinado por la "ecuación de estado" de la estrella, que es una descripción de cómo la presión y la energía interna en una estrella de neutrones responden a los cambios en su densidad, temperatura y composición.

El estudio generó una simulación 3D basada en conocimientos de una simulación 2D anterior que el equipo había realizado para modelar una llama de explosión de rayos X que se movía a través de la superficie de la estrella de neutrones. El estudio 2D se centró en la propagación de la llama en diferentes condiciones, como la temperatura de la superficie y la velocidad de rotación. La simulación 2D indicó que diferentes condiciones físicas conducían a diferentes velocidades de propagación de la llama.

Ampliando esos resultados, la simulación 3D utilizó el código Castro y su biblioteca AMReX de exaescala subyacente en Summit. La biblioteca AMReX fue desarrollada por Exascale Computing Project para ayudar a que las aplicaciones científicas se ejecuten en los sistemas de exaescala del DOE, incluida la supercomputadora HPE Cray EX de OLCF, Frontier. Los resultados de la simulación fueron publicados en The Astrophysical Journal .

"El gran objetivo es siempre conectar las simulaciones de estos eventos con lo que hemos observado", dijo Zingale. "Nuestro objetivo es comprender cómo se ve la estrella subyacente, y es vital explorar lo que estos modelos pueden hacer en todas las dimensiones".

La simulación 3D del equipo se centró en la evolución temprana de la llama y utilizó una temperatura de la corteza de una estrella de neutrones varios millones de veces más caliente que la del Sol, con una velocidad de rotación de 1.000 hercios. La llama 3D no permanece perfectamente circular mientras se propaga alrededor de la estrella de neutrones, por lo que el equipo utilizó la masa del material de ceniza producido por la llama para determinar qué tan rápido se produjo la combustión en comparación con la combustión de la llama 2D.

Aunque la quema fue ligeramente más rápida en el modelo 2D, las tendencias de crecimiento en ambas simulaciones fueron similares. El acuerdo entre los modelos indicó que la simulación 2D sigue siendo una buena herramienta para modelar la llama que se propaga en la superficie de la estrella de neutrones.

Sin embargo, se necesitarán simulaciones 3D para capturar interacciones más complejas, como la turbulencia que encontrará la llama a medida que se propaga, creada por la quema convectiva de la estrella en la capa de materia acumulada. La turbulencia es fundamentalmente diferente en 2D y 3D.

Además, el equipo puede aplicar los "ahorros" que obtienen al poder seguir gran parte de la evolución en 2D al aumentar la fidelidad física de la combustión nuclear y expandir la región de la estrella que simulan, agregando aún más realismo. P>

Se utilizan otras instalaciones para estudiar estos sistemas astrofísicos, pero están abordando otras partes del problema. La Instalación para Haces de Isótopos Raros, o FRIB, de la Universidad Estatal de Michigan ha lanzado el acelerador de iones pesados ​​más potente del mundo. FRIB explorará los núcleos ricos en protones creados por explosiones de rayos X, y el equipo de Zingale podrá utilizar esos datos para mejorar sus propias simulaciones.

"Estamos cerca de modelar la llama que se propaga por toda la estrella, de polo a polo. Es emocionante", afirmó Zingale.