Compreender como uma chama termonuclear se espalha pela superfície de uma estrela de nêutrons – e o que essa propagação pode nos dizer sobre a relação entre a massa da estrela de nêutrons e seu raio – também pode revelar muito sobre a composição da estrela.



Estrelas de nêutrons – os remanescentes compactos de explosões de supernovas – são encontradas em todo o universo. Como a maioria das estrelas está em sistemas binários, é possível que uma estrela de nêutrons tenha uma companheira estelar. As explosões de raios X ocorrem quando a matéria de sua companheira se acumula na superfície da estrela de nêutrons e é comprimida pela intensa gravidade da estrela de nêutrons, resultando em uma explosão termonuclear.

Astrofísicos da Universidade Estadual de Nova York, Stony Brook, e da Universidade da Califórnia, Berkeley, usaram o supercomputador Summit do Oak Ridge Leadership Computing Facility para comparar modelos de explosões de raios X em 2D e 3D. O OLCF é uma instalação de usuário do Departamento de Energia do Escritório de Ciência localizada no Laboratório Nacional de Oak Ridge do DOE.

O poder computacional de alto desempenho da Summit, acelerado por suas unidades de processamento gráfico, ou GPUs, foi um fator crítico na capacidade da equipe de realizar simulações 3D. Todo o trabalho computacional foi transferido para as GPUs. Isso permitiu que a equipe executasse as simulações uma ordem de magnitude mais rápida usando todas as GPUs em um nó de computação Summit em comparação com o uso de todos os núcleos da unidade central de processamento, ou CPU, no nó. (O Summit tem 4.608 nós, cada um contendo duas CPUs IBM POWER9 e seis GPUs NVIDIA Volta.)

"Podemos ver esses eventos acontecendo com mais detalhes com uma simulação. Uma das coisas que queremos fazer é entender as propriedades da estrela de nêutrons, porque queremos entender como a matéria se comporta nas densidades extremas que você encontraria em uma estrela de nêutrons, " disse Michael Zingale, que liderou o projeto e é professor do departamento de Física e Astronomia da SUNY Stony Brook.

Ao comparar modelos computacionais das chamas termonucleares com a radiação de explosão de raios X observada, os pesquisadores podem impor restrições ao tamanho da fonte para calcular o raio da estrela de nêutrons.

As estrelas de nêutrons têm cerca de 1,4 a 2 vezes a massa do Sol, apesar de terem em média apenas 20 quilômetros de diâmetro. Massa e raios são fatores importantes na compreensão do interior das estrelas de nêutrons com base em como a matéria se comporta sob condições extremas. Este comportamento é determinado pela “equação de estado” da estrela, que é uma descrição de como a pressão e a energia interna numa estrela de neutrões respondem a mudanças na sua densidade, temperatura e composição.

O estudo gerou uma simulação 3D baseada em insights de uma simulação 2D anterior que a equipe realizou para modelar uma chama de explosão de raios X movendo-se através da superfície da estrela de nêutrons. O estudo 2D centrou-se na propagação da chama sob diferentes condições, como temperatura da superfície e taxa de rotação. A simulação 2D indicou que diferentes condições físicas levaram a diferentes taxas de propagação de chamas.

Ampliando esses resultados, a simulação 3D usou o código Castro e sua biblioteca AMReX em exascale subjacente no Summit. A biblioteca AMReX foi desenvolvida pelo Exascale Computing Project para ajudar aplicativos científicos a serem executados em sistemas exascale do DOE, incluindo o supercomputador HPE Cray EX do OLCF, Frontier. Os resultados da simulação foram publicados no The Astrophysical Journal .

“O grande objetivo é sempre conectar as simulações desses eventos com o que observamos”, disse Zingale. "Nosso objetivo é entender a aparência da estrela subjacente, e explorar o que esses modelos podem fazer em todas as dimensões é vital."

A simulação 3D da equipe concentrou-se na evolução inicial da chama e usou uma temperatura da crosta de uma estrela de nêutrons vários milhões de vezes mais quente que a do Sol, com uma taxa de rotação de 1.000 hertz. A chama 3D não permanece perfeitamente circular à medida que se propaga em torno da estrela de nêutrons, então a equipe usou a massa do material de cinzas produzido pela chama para determinar a rapidez com que a queima ocorreu em comparação com a queima da chama 2D.

Embora a queima tenha sido um pouco mais rápida no modelo 2D, as tendências de crescimento em ambas as simulações foram semelhantes. A concordância entre os modelos indicou que a simulação 2D continua sendo uma boa ferramenta para modelar a propagação da chama na superfície da estrela de nêutrons.

No entanto, serão necessárias simulações 3D para capturar interações mais complexas, como a turbulência que a chama encontrará à medida que se propaga, criada pela queima convectiva da estrela na camada de matéria acumulada. A turbulência é fundamentalmente diferente em 2D e 3D.

Além disso, a equipe pode aplicar as “economias” que realiza ao poder acompanhar grande parte da evolução em 2D aumentando a fidelidade física da queima nuclear e expandindo a região da estrela que simulam, agregando ainda mais realismo.

Outras instalações são usadas para estudar estes sistemas astrofísicos, mas estão a abordar outras partes do problema. A Instalação para Feixes de Isótopos Raros, ou FRIB, da Michigan State University lançou o acelerador de íons pesados ​​mais poderoso do mundo. O FRIB explorará os núcleos ricos em prótons criados pelas explosões de raios X, e a equipe de Zingale poderá usar esses dados para melhorar suas próprias simulações.

"Estamos perto de modelar a propagação da chama por toda a estrela, de pólo a pólo. É emocionante", disse Zingale.

Mais informações: Michael Zingale et al, Comparando a evolução inicial das chamas em explosões de raios X em duas e três dimensões, The Astrophysical Journal (2023). DOI:10.3847/1538-4357/ace04e
Informações do diário: Jornal Astrofísico

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge