p No coração de algumas das menores e mais densas estrelas do universo está matéria nuclear que pode existir em fases exóticas nunca antes observadas. Estrelas de nêutrons, que se formam quando os núcleos de estrelas massivas colapsam em uma explosão de supernova luminosa, são pensados ​​para conter matéria com energias maiores do que o que pode ser alcançado em experimentos de acelerador de partículas, como os do Large Hadron Collider e do Relativistic Heavy Ion Collider. p Embora os cientistas não possam recriar essas condições extremas na Terra, eles podem usar estrelas de nêutrons como laboratórios prontos para entender melhor a matéria exótica. Simulando estrelas de nêutrons, muitos dos quais têm apenas 20 km de diâmetro, mas ostentam cerca de 1,4 a duas vezes a massa do nosso sol, pode fornecer uma visão sobre o assunto que pode existir em seus interiores e dar pistas sobre como ele se comporta em tais densidades.

p Uma equipe de astrofísicos nucleares liderada por Michael Zingale na Stony Brook University está usando o IBM AC922 Summit do Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), o supercomputador mais rápido do país, para modelar um fenômeno de estrela de nêutrons chamado de explosão de raios X - uma explosão termonuclear que ocorre na superfície de uma estrela de nêutrons quando seu campo gravitacional puxa uma quantidade suficientemente grande de matéria de uma estrela próxima. Agora, a equipe modelou uma chama de explosão de raios-X 2D movendo-se pela superfície de uma estrela de nêutrons para determinar como a chama age sob diferentes condições. Simular este fenômeno astrofísico fornece aos cientistas dados que podem ajudá-los a medir melhor os raios das estrelas de nêutrons, um valor que é crucial para estudar a física no interior de estrelas de nêutrons. Os resultados foram publicados no Astrophysical Journal .

p "Os astrônomos podem usar rajadas de raios-X para medir o raio de uma estrela de nêutrons, o que é um desafio porque é tão pequeno, "Zingale disse." Se nós sabemos o raio, podemos determinar as propriedades de uma estrela de nêutrons e compreender a matéria que vive em seu centro. Nossas simulações ajudarão a conectar a física da explosão de chamas de raios-X às observações. "

p O grupo descobriu que diferentes modelos iniciais e físicos levaram a resultados diferentes. Na próxima fase do projeto, a equipe planeja executar uma grande simulação 3D com base nos resultados do estudo para obter uma imagem mais precisa do fenômeno de explosão de raios-X.

p Mudando de física

p As simulações de estrelas de nêutrons requerem uma grande quantidade de dados físicos e, portanto, uma grande quantidade de poder de computação. Mesmo na Summit, os pesquisadores só podem modelar uma pequena parte da superfície da estrela de nêutrons.

p Para entender com precisão o comportamento da chama, A equipe de Zingale usou a Summit para modelar a chama para várias características da estrela de nêutrons subjacente. As simulações da equipe foram concluídas sob uma alocação de tempo de computação sob o programa Impacto Computacional Inovador e Novo em Teoria e Experimento (INCITE). A equipe variou as temperaturas da superfície e as taxas de rotação, usando-os como substitutos para diferentes taxas de acreção - ou a rapidez com que a massa da estrela aumenta à medida que acumula matéria adicional de uma estrela próxima.

p Alice Harpole, pesquisador de pós-doutorado na Stony Brook University e principal autor do artigo, sugeriu que a equipe modelasse uma crosta mais quente, levando a resultados inesperados.

p “Um dos resultados mais emocionantes deste projeto foi o que vimos quando variamos a temperatura da crosta em nossas simulações, "Harpole disse." Em nosso trabalho anterior, usamos uma crosta mais fria. Achei que faria diferença usar uma crosta mais quente, mas realmente ver a diferença que o aumento de temperatura produziu foi muito interessante. "

p Computação massiva, mais complexidade

p A equipe modelou o fenômeno de explosão de chamas de raios-X na Cúpula do OLCF no Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE). Nicole Ford, estagiária no Programa de Estágio do Laboratório de Graduação em Ciências do Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), executou simulações complementares no supercomputador Cori no National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). O OLCF e o NERSC são instalações de usuários do DOE Office of Science localizadas em ORNL e LBNL, respectivamente.

p Com simulações de 9, 216 células de grade na direção horizontal e 1, 536 células na direção vertical, o esforço exigiu uma grande quantidade de poder de computação. Depois que a equipe concluiu as simulações, os membros da equipe utilizaram o sistema Rhea do OLCF para analisar e traçar seus resultados.

p Na Cimeira, a equipe usou o código de Castro - que é capaz de modelar fenômenos astrofísicos explosivos - no refinamento da malha adaptativa para a biblioteca exascale (AMReX), que permitiu aos membros da equipe alcançar resoluções variadas em diferentes partes da grade. AMReX é uma das bibliotecas em desenvolvimento pelo Exascale Computing Project, um esforço para adaptar aplicativos científicos para rodar nos próximos sistemas exascale do DOE, incluindo a fronteira do OLCF. Os sistemas Exascale serão capazes de computar na faixa exaflops, ou 10 ¹⁸ cálculos por segundo.

p AMReX fornece uma estrutura para paralelização em supercomputadores, mas Castro nem sempre foi capaz de aproveitar as vantagens das GPUs que tornam o Summit tão atraente para a pesquisa científica. A equipe participou de hackathons hospedados pelo OLCF no Laboratório Nacional de Brookhaven e ORNL para obter ajuda com a portabilidade do código para as GPUs da Summit.

p "Os hackathons foram incrivelmente úteis para entendermos como poderíamos aproveitar as GPUs da Summit para esse esforço, "Zingale disse." Quando fizemos a transição de CPUs para GPUs, nosso código rodou 10 vezes mais rápido. Isso nos permitiu fazer menos aproximações e realizar simulações mais realistas fisicamente e mais longas. "

p A equipe disse que a próxima simulação 3D que eles planejam executar não exigirá apenas GPUs - ela consumirá quase todo o tempo do INCITE da equipe durante o ano inteiro.

p "Precisamos obter cada grama de desempenho que pudermos, "Zingale disse." Felizmente, aprendemos com essas simulações 2D o que precisamos fazer para a nossa simulação 3D, portanto, estamos preparados para nosso próximo grande empreendimento. "