Les étoiles à neutrons, les restes compacts des explosions de supernova, se trouvent partout dans l'univers. Étant donné que la plupart des étoiles appartiennent à des systèmes binaires, il est possible qu’une étoile à neutrons ait un compagnon stellaire. Les sursauts de rayons X se produisent lorsque la matière s'accumule à la surface de l'étoile à neutrons provenant de son compagnon et est comprimée par l'intense gravité de l'étoile à neutrons, entraînant une explosion thermonucléaire.

Des astrophysiciens de l'Université d'État de New York, de Stony Brook, et de l'Université de Californie à Berkeley, ont utilisé le supercalculateur Summit de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility pour comparer des modèles de sursauts de rayons X en 2D et 3D. L'OLCF est un établissement utilisateur du Bureau des sciences du ministère de l'Énergie situé au laboratoire national d'Oak Ridge du DOE.

La puissance de calcul haute performance de Summit, accélérée par ses unités de traitement graphique, ou GPU, a été un facteur essentiel dans la capacité de l'équipe à réaliser les simulations 3D. Tout le travail de calcul a été transféré aux GPU. Cela a permis à l'équipe d'exécuter les simulations plus d'un ordre de grandeur plus rapidement en utilisant tous les GPU sur un nœud de calcul Summit par rapport à l'utilisation de tous les cœurs de l'unité centrale de traitement, ou CPU, sur le nœud. (Summit compte 4 608 nœuds, chacun contenant deux processeurs IBM POWER9 et six GPU NVIDIA Volta.)

"Nous pouvons voir ces événements se produire de manière plus détaillée grâce à une simulation. L'une des choses que nous voulons faire est de comprendre les propriétés de l'étoile à neutrons, car nous voulons comprendre comment la matière se comporte aux densités extrêmes que l'on trouverait dans une étoile à neutrons. " a déclaré Michael Zingale, qui a dirigé le projet et est professeur au département de physique et d'astronomie de SUNY Stony Brook.

En comparant les modèles informatiques des flammes thermonucléaires avec le rayonnement de sursaut de rayons X observé, les chercheurs peuvent imposer des contraintes sur la taille de la source pour calculer le rayon de l'étoile à neutrons.

Les étoiles à neutrons ont environ 1,4 à 2 fois la masse du soleil malgré un diamètre moyen de seulement 19 kilomètres. La masse et les rayons sont des facteurs importants pour comprendre l’intérieur des étoiles à neutrons, en fonction du comportement de la matière dans des conditions extrêmes. Ce comportement est déterminé par « l'équation d'état » de l'étoile, qui décrit la façon dont la pression et l'énergie interne d'une étoile à neutrons réagissent aux changements de sa densité, de sa température et de sa composition.

L'étude a généré une simulation 3D basée sur les informations d'une simulation 2D précédente que l'équipe avait réalisée pour modéliser une flamme d'éclatement de rayons X se déplaçant sur la surface de l'étoile à neutrons. L'étude 2D s'est concentrée sur la propagation de la flamme dans différentes conditions telles que la température de surface et la vitesse de rotation. La simulation 2D a indiqué que différentes conditions physiques entraînaient des taux de propagation de flamme différents.

En élargissant ces résultats, la simulation 3D a utilisé le code Castro et sa bibliothèque exascale AMReX sous-jacente sur Summit. La bibliothèque AMReX a été développée par l'Exascale Computing Project pour aider les applications scientifiques à fonctionner sur les systèmes exascale du DOE, y compris le supercalculateur HPE Cray EX de l'OLCF, Frontier. Les résultats de la simulation ont été publiés dans The Astrophysical Journal .

"Le grand objectif est toujours de relier les simulations de ces événements à ce que nous avons observé", a déclaré Zingale. "Nous cherchons à comprendre à quoi ressemble l'étoile sous-jacente, et il est vital d'explorer ce que ces modèles peuvent faire dans toutes les dimensions."

La simulation 3D de l'équipe s'est concentrée sur l'évolution précoce de la flamme et a utilisé une température de la croûte d'une étoile à neutrons plusieurs millions de fois plus élevée que celle du soleil, avec une vitesse de rotation de 1 000 hertz. La flamme 3D ne reste pas parfaitement circulaire lorsqu'elle se propage autour de l'étoile à neutrons. L'équipe a donc utilisé la masse de cendres produites par la flamme pour déterminer la rapidité avec laquelle la combustion s'est produite par rapport à la combustion de la flamme 2D.

Bien que la combustion ait été légèrement plus rapide dans le modèle 2D, les tendances de croissance dans les deux simulations étaient similaires. L'accord entre les modèles indique que la simulation 2D reste un bon outil pour modéliser la propagation de la flamme à la surface de l'étoile à neutrons.

Cependant, des simulations 3D seront nécessaires pour capturer des interactions plus complexes, telles que les turbulences que la flamme rencontrera lors de sa propagation, créées par la combustion convective de l'étoile dans la couche de matière accrétée. La turbulence est fondamentalement différente en 2D et en 3D.

De plus, l'équipe peut appliquer les « économies » qu'elle réalise en suivant une grande partie de l'évolution en 2D en augmentant la fidélité physique de la combustion nucléaire et en élargissant la région de l'étoile qu'elle simule, ajoutant encore plus de réalisme.

D'autres installations sont utilisées pour étudier ces systèmes astrophysiques mais s'attaquent à d'autres aspects du problème. L'installation de faisceaux d'isotopes rares, ou FRIB, de l'université d'État du Michigan a lancé l'accélérateur d'ions lourds le plus puissant au monde. FRIB explorera les noyaux riches en protons créés par les sursauts de rayons X, et l'équipe de Zingale pourra utiliser ces données pour améliorer ses propres simulations.

"Nous sommes sur le point de modéliser la flamme qui se propage à travers l'étoile entière, d'un pôle à l'autre. C'est passionnant", a déclaré Zingale.