Au cœur de certaines des étoiles les plus petites et les plus denses de l'univers se trouve de la matière nucléaire qui pourrait exister dans des phases exotiques jamais observées auparavant. étoiles à neutrons, qui se forment lorsque les noyaux des étoiles massives s'effondrent dans une explosion de supernova lumineuse, sont censés contenir de la matière à des énergies supérieures à ce qui peut être réalisé dans les expériences sur les accélérateurs de particules, tels que ceux du Grand collisionneur de hadrons et du collisionneur d'ions lourds relativistes.

Bien que les scientifiques ne puissent pas recréer ces conditions extrêmes sur Terre, ils peuvent utiliser les étoiles à neutrons comme laboratoires prêts à l'emploi pour mieux comprendre la matière exotique. Simulation d'étoiles à neutrons, dont beaucoup n'ont que 12,5 milles de diamètre mais se vantent d'environ 1,4 à deux fois la masse de notre soleil, peuvent donner un aperçu de la matière qui pourrait exister dans leurs intérieurs et donner des indices sur la façon dont elle se comporte à de telles densités.

Une équipe d'astrophysiciens nucléaires dirigée par Michael Zingale de l'Université Stony Brook utilise le sommet IBM AC922 de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), le supercalculateur le plus rapide du pays, modéliser un phénomène d'étoile à neutrons appelé sursaut de rayons X, une explosion thermonucléaire qui se produit à la surface d'une étoile à neutrons lorsque son champ gravitationnel retire une quantité suffisamment importante de matière d'une étoile proche. Maintenant, l'équipe a modélisé une flamme d'éclatement de rayons X 2D se déplaçant à travers la surface d'une étoile à neutrons pour déterminer comment la flamme agit dans différentes conditions. La simulation de ce phénomène astrophysique fournit aux scientifiques des données qui peuvent les aider à mieux mesurer les rayons des étoiles à neutrons, une valeur cruciale pour l'étude de la physique à l'intérieur des étoiles à neutrons. Les résultats ont été publiés dans le Journal d'astrophysique .

"Les astronomes peuvent utiliser des sursauts de rayons X pour mesurer le rayon d'une étoile à neutrons, ce qui est un défi parce que c'est si petit, " dit Zingale. " Si nous connaissons le rayon, nous pouvons déterminer les propriétés d'une étoile à neutrons et comprendre la matière qui vit en son centre. Nos simulations aideront à relier la physique de la flamme du sursaut de rayons X aux observations. »

Le groupe a découvert que différents modèles initiaux et physiques conduisaient à des résultats différents. Dans la phase suivante du projet, l'équipe prévoit d'exécuter une grande simulation 3D basée sur les résultats de l'étude pour obtenir une image plus précise du phénomène de sursaut de rayons X.

Changement de physique

Les simulations d'étoiles à neutrons nécessitent une quantité massive d'entrées physiques et donc une quantité massive de puissance de calcul. Même au sommet, les chercheurs ne peuvent se permettre de modéliser qu'une petite partie de la surface de l'étoile à neutrons.

Pour bien comprendre le comportement de la flamme, L'équipe de Zingale a utilisé Summit pour modéliser la flamme pour diverses caractéristiques de l'étoile à neutrons sous-jacente. Les simulations de l'équipe ont été réalisées dans le cadre d'une allocation de temps de calcul dans le cadre du programme INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment). L'équipe a varié les températures de surface et les taux de rotation, en les utilisant comme proxy pour différents taux d'accrétion - ou à quelle vitesse l'étoile augmente en masse à mesure qu'elle accumule de la matière supplémentaire provenant d'une étoile proche.

Alice Harpole, chercheur postdoctoral à l'Université Stony Brook et auteur principal de l'article, suggéré que l'équipe modélise une croûte plus chaude, conduisant à des résultats inattendus.

"L'un des résultats les plus excitants de ce projet a été ce que nous avons vu lorsque nous avons fait varier la température de la croûte dans nos simulations, " a déclaré Harpole. " Dans notre travail précédent, nous avons utilisé une croûte plus froide. J'ai pensé que cela pourrait faire une différence d'utiliser une croûte plus chaude, mais en fait, voir la différence produite par l'augmentation de la température était très intéressant."

Informatique massive, plus de complexité

L'équipe a modélisé le phénomène de la flamme d'éclatement de rayons X lors du sommet de l'OLCF au laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du département américain de l'Énergie (DOE). Nicole Ford, un stagiaire du programme de stages en laboratoire de premier cycle en sciences au Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), a effectué des simulations complémentaires sur le supercalculateur Cori du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). L'OLCF et le NERSC sont des installations d'utilisateurs du DOE Office of Science situées à ORNL et LBNL, respectivement.

Avec des simulations de 9, 216 mailles dans le sens horizontal et 1, 536 cellules dans le sens vertical, l'effort nécessitait une énorme quantité de puissance de calcul. Une fois que l'équipe a terminé les simulations, les membres de l'équipe ont utilisé le système Rhea de l'OLCF pour analyser et tracer leurs résultats.

Au sommet, l'équipe a utilisé le code Castro, capable de modéliser des phénomènes astrophysiques explosifs, dans le raffinement adaptatif du maillage pour la bibliothèque exascale (AMReX), ce qui a permis aux membres de l'équipe d'atteindre différentes résolutions à différentes parties de la grille. AMReX est l'une des bibliothèques développées par le projet Exascale Computing, un effort pour adapter les applications scientifiques aux futurs systèmes exascale du DOE, dont la Frontière de l'OLCF. Les systèmes exascale seront capables de calculer dans la gamme des exaflops, ou 10 ¹⁸ calculs par seconde.

AMReX fournit un framework de parallélisation sur supercalculateurs, mais Castro n'a pas toujours été capable de tirer parti des GPU qui rendent Summit si attrayant pour la recherche scientifique. L'équipe a assisté à des hackathons organisés par l'OLCF au Brookhaven National Laboratory et à l'ORNL pour obtenir de l'aide pour le portage du code sur les GPU de Summit.

"Les hackathons nous ont été incroyablement utiles pour comprendre comment nous pouvions tirer parti des GPU de Summit pour cet effort, "                                                                       , notre code s'est exécuté 10 fois plus vite. Cela nous a permis de faire moins d'approximations et d'effectuer des simulations plus réalistes physiquement et plus longues."

L'équipe a déclaré que la prochaine simulation 3D qu'elle envisage d'exécuter ne nécessitera pas seulement des GPU, elle consommera presque tout le temps INCITE de l'équipe pendant toute l'année.

"Nous devons obtenir chaque once de performance que nous pouvons, " dit Zingale. " Heureusement, nous avons appris de ces simulations 2D ce que nous devons faire pour notre simulation 3D, nous sommes donc prêts pour notre prochaine grande entreprise."