Simulazione 3D di lampi di raggi X sulla superficie delle stelle di neutroni

Gli astrofisici della State University di New York, Stony Brook, e dell'Università della California, Berkeley, hanno creato simulazioni 3D di lampi di raggi X sulla superficie delle stelle di neutroni. Vengono mostrate due viste di questi lampi di raggi X: la colonna di sinistra è vista dall'alto mentre la colonna di destra è vista da un angolo poco profondo sopra la superficie. I pannelli (dall'alto al basso) mostrano la struttura del burst di raggi X al tempo di simulazione di 10, 20 e 40 ms. Credito immagine: Michael Zingale, Dipartimento di Fisica e Astronomia, SUNY Stony Brook

L'universo è pieno di stelle di neutroni, che sono i resti delle esplosioni di supernova. Poiché la maggior parte delle stelle esiste in sistemi binari, una stella di neutroni può avere un partner stellare. Quando la materia proveniente da una stella di neutroni si accumula sulla sua superficie e viene schiacciata dalla forte gravità della stella, si verifica un'esplosione termonucleare, nota come esplosione di raggi X.

Utilizzando il supercomputer Summit presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility, gli astronomi dell'Università statale di New York a Stony Brook e dell'Università della California a Berkeley hanno creato simulazioni 3D di lampi di raggi X sulla superficie delle stelle di neutroni e hanno confrontato le immagini 2D e 3D Modelli. Dalle esplosioni di raggi X.

La capacità del team di completare simulazioni 3D è stata notevolmente aiutata dalle capacità di calcolo ad alte prestazioni di Summit, ulteriormente migliorate dalle sue GPU. Le GPU si sono fatte carico di tutto il carico di elaborazione. L'utilizzo di tutte le GPU sul nodo di calcolo Summit ha consentito ai ricercatori di eseguire simulazioni più velocemente di tutti i core della CPU sul nodo.

Michael Zingale, che ha guidato il progetto ed è professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia della SUNY Stony Brook, ha dichiarato: “Possiamo vedere questi eventi accadere in modo più dettagliato attraverso le simulazioni. Vogliamo comprendere le proprietà di una stella di neutroni perché vogliamo capire come si comporta la materia alle densità estreme che si troverebbero in una stella di neutroni.”

Il confronto dei modelli può aiutare i ricercatori a calcolare il raggio di una stella di neutroni determinando la dimensione della sorgente.

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La precedente simulazione 2D del team, che modellava una fiamma di raggi X che viaggiava attraverso la superficie di una stella di neutroni, ha fornito informazioni su cui è stata costruita la simulazione 3D. Il focus dell'indagine 2D era il modo in cui la fiamma si propaga in diverse condizioni, tra cui la temperatura superficiale e la velocità di rotazione. I risultati della simulazione 2D hanno mostrato che diverse condizioni fisiche causavano velocità di propagazione della fiamma variabili.

La simulazione 3D su Summit ha esteso questi risultati utilizzando il codice di Castro e la sua libreria AMReX exascale principale.

Per simulare l’evoluzione iniziale della fiamma, i ricercatori hanno utilizzato un modello 3D con una velocità di rotazione di 1.000 Hz e una temperatura della crosta di una stella di neutroni milioni di volte più calda di quella del Sole. I ricercatori hanno utilizzato la massa di materiale di cenere della fiamma per calcolare la velocità con cui bruciava una fiamma 3D rispetto a una fiamma 2D perché una fiamma 3D non rimane perfettamente circolare mentre si muove attorno alla stella di neutroni.

I modelli di crescita in entrambe le simulazioni erano identici anche se la combustione del modello 2D è avvenuta leggermente più rapidamente. La concordanza dei modelli indica che le simulazioni 2D rimangono una tecnica preziosa per simulare la propagazione della fiamma sulla superficie di una stella di neutroni.

Ma interazioni più complesse, come la turbolenza che una fiamma incontrerebbe nel suo viaggio a causa della combustione termica della stella nello strato di materia in accrescimento, richiederebbero simulazioni 3D. In 2D e 3D, la turbolenza è fondamentalmente diversa. Inoltre, allargando la regione della stella, imita e migliora l'autenticità fisica della combustione nucleare. I ricercatori potrebbero aggiungere ulteriore realismo applicando il “risparmio” ottenuto grazie alla possibilità di seguire gran parte dell'evoluzione bidimensionale.

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Sono oltre questo Egli ha detto, “Siamo vicini alla modellazione delle fiamme che si diffondono attraverso l'intera stella da un polo all'altro. È emozionante.”

Riferimento alla rivista:

  1. Michael Zingale, Kieran Eden e Max Katz. Confronto dello sviluppo iniziale della fiamma nelle esplosioni di raggi X in due e tre dimensioni. Giornale astrofisico. DOI 10.3847/1538-4357/ace04e

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