Una estrella de neutrones densa (derecha) pelando material de una estrella cercana (izquierda). Crédito: Colby Earles, ORNL
En el corazón de algunas de las estrellas más pequeñas y densas del universo se encuentra la materia nuclear, que puede existir en fases exóticas nunca antes vistas. Se cree que las estrellas de neutrones que se forman cuando los núcleos de estrellas masivas colapsan en una supernova luminosa contienen material con energías mayores que las que se pueden lograr en experimentos con aceleradores de partículas, como los del Gran Colisionador de Hadrones y el Relativista Heavy Jon Bumper.
Si bien los científicos no pueden recrear estas condiciones extremas en la Tierra, pueden usar estrellas de neutrones como laboratorios estándar para comprender mejor la materia exótica. La simulación de estrellas de neutrones, muchas de las cuales tienen solo 20 km de diámetro pero entre 1,4 y el doble de la masa de nuestro sol, puede proporcionar una idea de la materia que puede existir dentro de ellas y dar pistas sobre cómo se comportan en tales entornos.
Un equipo de astrofísicos nucleares dirigido por Michael Zingale de la Universidad de Stony Brook utiliza IBM AC922 Summit by Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), la supercomputadora más rápida del país, para modelar un fenómeno de estrella de neutrones llamado explosión de rayos X, una explosión de fusión que ocurre en la superficie de una estrella de neutrones cuando su campo gravitacional extrae suficiente material de una estrella cercana. El equipo ahora modeló una llama de rayos X bidimensional a medida que viaja a lo largo de la superficie de una estrella de neutrones para determinar cómo se comporta la llama en diferentes condiciones. La simulación de este fenómeno astrofísico proporciona a los científicos datos que pueden ayudarlos a medir mejor los rayos de las estrellas de neutrones, un valor clave en el estudio de la física del interior de las estrellas de neutrones. Los resultados fueron publicados en Diario astrofísico.
“Los astrónomos pueden usar destellos de rayos X para medir el radio de una estrella de neutrones, lo cual es un desafío porque es muy pequeño”, dijo Zingale. “Conociendo el radio, podemos determinar las propiedades de una estrella de neutrones y comprender la materia que vive en su centro. Nuestras simulaciones ayudarán a vincular la física de una llama explosiva de rayos X 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 realizar una gran simulación 3D basada en los resultados de la investigación para obtener una imagen más precisa del fenómeno de los destellos de rayos X.
Cambio de física
Las simulaciones de estrellas de neutrones requieren una enorme cantidad de física y, por lo tanto, una enorme potencia de cálculo. Incluso en la parte superior, los científicos solo pueden modelar una pequeña fracción de la superficie de una estrella de neutrones.
Para comprender completamente el comportamiento de la llama, el equipo de Zingale utilizó Peak para modelar la llama para diferentes características de la estrella de neutrones subyacente. Simulaciones de equipo completadas dentro del tiempo de computación asignado bajo el programa Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE). El equipo varió las temperaturas de la superficie y las velocidades de rotación, usándolas como aproximaciones para diferentes tasas de acreción, o la rapidez con la que una estrella gana peso a medida que acumula material adicional de una estrella cercana.
Alice Harpole, investigadora de doctorado en la Universidad de Stony Brook y autora principal del artículo, sugirió que el equipo está modelando una piel más cálida, lo que lleva a resultados inesperados.
“Uno de los resultados más emocionantes de este proyecto fue lo que vimos cambiando la temperatura de la carcasa en nuestras simulaciones”, dijo Harpole. “En nuestro trabajo anterior, usamos una corteza más fría. Pensé que usar una corteza más cálida podría marcar la diferencia, pero la diferencia real en el aumento de la temperatura fue muy interesante “.
Procesamiento enorme, más complejidad
El equipo modeló el fenómeno de una llama explosiva de rayos X en la cumbre OLCF en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE). Nicole Ford, pasante del 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). OLCF y NERSC son sitios de usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicados en ORNL y LBNL, respectivamente.
Al simular 9216 celdas de cuadrícula en la dirección horizontal y 1536 celdas en la dirección vertical, el esfuerzo requirió una enorme potencia de cálculo. Después de que se completó la simulación, los miembros del equipo utilizaron el sistema Rhea en el OLCF para analizar y trazar los resultados.
En Summit, el equipo usó el código Castro, que es capaz de modelar fenómenos astrofísicos explosivos, en el refinamiento de la malla adaptativa para la biblioteca de exaescala (AMReX), lo que permitió a los miembros del equipo lograr diferentes resoluciones en diferentes partes de la malla. AMReX es una de las bibliotecas desarrolladas como parte del Exascale Computing Project, cuyo objetivo es adaptar las aplicaciones científicas para que funcionen en los próximos sistemas DOE a exaescala, incluido el Frontier OLCF. Los sistemas de exaescala podrán calcular en términos de exaflops, es decir, 1018 cálculos por segundo.
AMReX proporciona una plataforma para el paralelismo en supercomputadoras, pero Castro no siempre ha podido aprovechar las GPU que hacen que Summit sea tan atractivo para la investigación. El equipo asistió a hackatones de OLCF en el Laboratorio Nacional de Brookhaven y ORNL para obtener ayuda con la migración del código a las GPU de Summit.
“Los hackatones han sido extremadamente útiles para que comprendamos cómo podemos usar la GPU Summit para hacer este esfuerzo”, dijo Zingale. “Cuando cambiamos de la CPU a la GPU, nuestro código era 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 ser lo más eficientes posible”, dijo Zingale. “Afortunadamente, aprendimos de estas simulaciones 2D lo que debemos hacer para nuestra simulación 3D, por lo que estamos preparados para el próximo gran esfuerzo”.
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge