Att förstå hur en termonukleär låga sprider sig över ytan av en neutronstjärna – och vad den spridningen kan säga oss om förhållandet mellan neutronstjärnans massa och dess radie – kan också avslöja mycket om stjärnans sammansättning.

Neutronstjärnor – de kompakta resterna av supernovaexplosioner – finns i hela universum. Eftersom de flesta stjärnor finns i binära system är det möjligt för en neutronstjärna att ha en stjärnkompanjon. Röntgenskurar uppstår när materia ackumuleras på neutronstjärnans yta från dess följeslagare och komprimeras av neutronstjärnans intensiva gravitation, vilket resulterar i en termonukleär explosion.

Astrofysiker vid State University of New York, Stony Brook och University of California, Berkeley, använde Oak Ridge Leadership Computing Facility's Summit superdator för att jämföra modeller av röntgenskurar i 2D och 3D. OLCF är en användaranläggning vid Department of Energy Office of Science som ligger vid DOE:s Oak Ridge National Laboratory.

Summits högpresterande datorkraft, accelererad av dess grafikprocessorenheter, eller GPU:er, var en kritisk faktor i teamets förmåga att utföra 3D-simuleringarna. Allt beräkningsarbete överfördes till GPU:erna. Detta gjorde det möjligt för teamet att köra simuleringarna mer än en storleksordning snabbare med alla GPU:er på en Summit-beräkningsnod jämfört med att använda alla centrala bearbetningsenheter, eller CPU, kärnor på noden. (Summit har 4 608 noder, som var och en innehåller två IBM POWER9-processorer och sex NVIDIA Volta-GPU:er.)

"Vi kan se dessa händelser ske mer i detalj med en simulering. En av de saker vi vill göra är att förstå neutronstjärnans egenskaper eftersom vi vill förstå hur materia beter sig vid de extrema densiteter du skulle hitta i en neutronstjärna, " sa Michael Zingale, som ledde projektet och är professor vid avdelningen för fysik och astronomi vid SUNY Stony Brook.

Genom att jämföra datormodeller av termonukleära lågor med observerad röntgenskurstrålning kan forskare sätta begränsningar på källans storlek för att beräkna neutronstjärnans radie.

Neutronstjärnor har cirka 1,4 till 2 gånger solens massa trots att de i genomsnitt bara är 12 miles i diameter. Massa och radier är viktiga faktorer för att förstå neutronstjärnornas inre utifrån hur materia beter sig under extrema förhållanden. Detta beteende bestäms av stjärnans "tillståndsekvation", som är en beskrivning av hur trycket och den inre energin i en neutronstjärna reagerar på förändringar i dess densitet, temperatur och sammansättning.

Studien genererade en 3D-simulering baserad på insikter från en tidigare 2D-simulering som teamet hade utfört för att modellera en röntgenspränglåga som rörde sig över neutronstjärnans yta. 2D-studien fokuserade på lågans utbredning under olika förhållanden som yttemperatur och rotationshastighet. 2D-simuleringen visade att olika fysiska förhållanden ledde till olika flamspridningshastigheter.

För att utöka dessa resultat använde 3D-simuleringen Castro-koden och dess underliggande exascale AMReX-bibliotek på Summit. AMReX-biblioteket utvecklades av Exascale Computing Project för att hjälpa vetenskapliga applikationer att köras på DOE:s exascale-system, inklusive OLCF:s HPE Cray EX superdator, Frontier. Simuleringsresultaten publicerades i The Astrophysical Journal .

"Det stora målet är alltid att koppla simuleringarna av dessa händelser till det vi har observerat," sa Zingale. "Vi siktar på att förstå hur den underliggande stjärnan ser ut, och det är viktigt att utforska vad dessa modeller kan göra över dimensioner."

Teamets 3D-simulering fokuserade på lågans tidiga utveckling och använde en neutronstjärnes skorpatemperatur flera miljoner gånger varmare än solen, med en rotationshastighet på 1 000 hertz. 3D-lågan förblir inte perfekt cirkulär när den fortplantar sig runt neutronstjärnan, så teamet använde massan av askmaterialet som producerades av lågan för att fastställa hur snabbt förbränningen skedde jämfört med förbränningen av 2D-lågan.

Även om bränningen var något snabbare i 2D-modellen var tillväxttrenderna i båda simuleringarna likartade. Överensstämmelsen mellan modellerna visade att 2D-simulering fortfarande är ett bra verktyg för att modellera flamman som sprider sig på neutronstjärnans yta.

Det kommer dock att krävas 3D-simuleringar för att fånga mer komplexa interaktioner, såsom turbulensen som lågan kommer att möta när den fortplantar sig, skapad av stjärnans konvektiva förbränning i det anhopade lagret av materia. Turbulens är fundamentalt annorlunda i 2D och 3D.

Dessutom kan teamet tillämpa de "besparingar" de inser från att kunna följa mycket av utvecklingen i 2D genom att öka den fysiska troheten hos kärnbrännan och utöka området av stjärnan de simulerar, vilket ger ännu mer realism.

Andra faciliteter används för att studera dessa astrofysiska system men tar itu med andra delar av problemet. Facility for Rare Isotope Beams, eller FRIB, vid Michigan State University har lanserat världens mest kraftfulla accelerator för tunga joner. FRIB kommer att utforska de protonrika kärnorna som skapas av röntgenskurar, och Zingales team kommer att kunna använda dessa data för att förbättra sina egna simuleringar.

"Vi är nära att modellera lågan spridd över hela stjärnan från pol till pol. Det är spännande," sa Zingale.

Mer information: Michael Zingale et al, Comparing Early Evolution of Flames in X-Ray Bursts in Two and Three Dimensions, The Astrophysical Journal (2023). DOI:10.3847/1538-4357/ace04e

Journalinformation: Astrofysisk tidskrift

Tillhandahålls av Oak Ridge National Laboratory