I hjärtat av några av de minsta och tätaste stjärnorna i universum ligger kärnämne som kan existera i exotiska faser som aldrig tidigare observerats. Neutronstjärnor, som bildas när kärnorna av massiva stjärnor kollapsar i en lysande supernovaexplosion, tros innehålla materia vid energier som är större än vad som kan uppnås i experiment med partikelaccelerator, som de vid Large Hadron Collider och Relativistic Heavy Ion Collider.

Även om forskare inte kan återskapa dessa extrema förhållanden på jorden, de kan använda neutronstjärnor som färdiga laboratorier för att bättre förstå exotisk materia. Simulerar neutronstjärnor, många av dem är bara 12,5 miles i diameter men skryter omkring 1,4 till två gånger massan av vår sol, kan ge insikt i den materia som kan finnas i deras inre och ge ledtrådar om hur den beter sig vid sådana tätheter.

Ett team av nukleära astrofysiker ledda av Michael Zingale vid Stony Brook University använder Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCFs) IBM AC922 Summit, nationens snabbaste superdator, att modellera ett neutronstjärnefenomen som kallas en röntgenburst – en termonukleär explosion som inträffar på ytan av en neutronstjärna när dess gravitationsfält drar en tillräckligt stor mängd materia bort från en närliggande stjärna. Nu, teamet har modellerat en 2D-röntgenburstflamma som rör sig över ytan av en neutronstjärna för att avgöra hur lågan verkar under olika förhållanden. Simulering av detta astrofysiska fenomen ger forskare data som kan hjälpa dem att bättre mäta radierna för neutronstjärnor, ett värde som är avgörande för att studera fysiken i neutronstjärnornas inre. Resultaten publicerades i Astrofysisk tidskrift .

"Astronomer kan använda röntgenskurar för att mäta radien på en neutronstjärna, vilket är en utmaning eftersom det är så litet, " sa Zingale. "Om vi ​​känner till radien, vi kan bestämma en neutronstjärnas egenskaper och förstå den materia som lever i dess centrum. Våra simuleringar kommer att hjälpa till att koppla röntgenstrålningsflammans fysik till observationer."

Gruppen fann att olika initiala modeller och fysik ledde till olika resultat. I nästa fas av projektet, teamet planerar att köra en stor 3D-simulering baserat på resultaten från studien för att få en mer exakt bild av fenomenet med röntgenskurar.

Byte av fysik

Neutronstjärnesimuleringar kräver en enorm mängd fysikinsats och därför en enorm mängd datorkraft. Även på toppmötet, forskare har bara råd att modellera en liten del av neutronstjärnans yta.

För att korrekt förstå lågans beteende, Zingales team använde Summit för att modellera lågan för olika egenskaper hos den underliggande neutronstjärnan. Teamets simuleringar slutfördes under en tilldelning av beräkningstid under programmet Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE). Teamet varierade yttemperaturer och rotationshastigheter, använda dessa som proxy för olika ackretionshastigheter – eller hur snabbt stjärnan ökar i massa när den ackumulerar ytterligare material från en närliggande stjärna.

Alice Harpole, en postdoktor vid Stony Brook University och huvudförfattare på tidningen, föreslog att laget skulle modellera en varmare skorpa, leder till oväntade resultat.

"Ett av de mest spännande resultaten från det här projektet var det vi såg när vi varierade temperaturen på skorpan i våra simuleringar, " Sa Harpole. "I vårt tidigare arbete, vi använde en svalare skorpa. Jag tänkte att det kunde göra skillnad att använda en varmare skorpa, men att faktiskt se skillnaden att den ökade temperaturen producerade var väldigt intressant."

Massiv datoranvändning, mer komplexitet

Teamet modellerade fenomenet med röntgensprängningar på OLCF:s toppmöte vid det amerikanska energidepartementets (DOEs) Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Nicole Ford, en praktikant i Science Undergraduate Laboratory Internship Program vid Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), körde kompletterande simuleringar på Cori-superdatorn vid National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). OLCF och NERSC är en DOE Office of Science-användaranläggning som ligger vid ORNL och LBNL, respektive.

Med simuleringar av 9, 216 rutnätsceller i horisontell riktning och 1, 536 celler i vertikal riktning, ansträngningen krävde en enorm mängd datorkraft. Efter att teamet slutfört simuleringarna, gruppmedlemmar använde OLCF:s Rhea-system för att analysera och plotta deras resultat.

På toppmötet, teamet använde Castro-koden – som kan modellera explosiva astrofysiska fenomen – i den adaptiva mesh-förfiningen för exascale (AMReX)-biblioteket, vilket gjorde det möjligt för teammedlemmar att uppnå olika upplösningar på olika delar av nätet. AMReX är ett av biblioteken som utvecklas av Exascale Computing Project, ett försök att anpassa vetenskapliga applikationer för att köras på DOE:s kommande exascale-system, inklusive OLCF:s gräns. Exascale-system kommer att kunna beräkna i exaflopsområdet, eller 10 ¹⁸ beräkningar per sekund.

AMReX tillhandahåller ett ramverk för parallellisering på superdatorer, men Castro var inte alltid kapabel att dra fördel av grafikprocessorerna som gör Summit så attraktivt för vetenskaplig forskning. Teamet deltog i OLCF-värdade hackathons på Brookhaven National Laboratory och ORNL för att få hjälp med att portera koden till Summits GPU:er.

"Hackathons var otroligt användbara för oss för att förstå hur vi kunde utnyttja Summits GPU:er för detta arbete, ", sa Zingale. "När vi gick över från CPU:er till GPU:er, vår kod gick 10 gånger snabbare. Detta gjorde det möjligt för oss att göra färre uppskattningar och utföra mer fysiskt realistiska och längre simuleringar."

Teamet sa att den kommande 3D-simuleringen de planerar att köra inte bara kommer att kräva GPU:er – den kommer att äta upp nästan all teamets INCITE-tid för hela året.

"Vi måste få varje uns av prestation vi kan, " sa Zingale. "Lyckligtvis, vi har lärt oss från dessa 2D-simuleringar vad vi behöver göra för vår 3D-simulering, så vi är förberedda för vår nästa stora ansträngning."