Ученые зажгли термоядерный взрыв внутри суперкомпьютера

Компьютерное моделирование дает нам новое представление о буйном поведении нейтронных звезд-каннибалов.

Когда нейтронная звезда поглощает материал из близкого двойного компаньона, нестабильное термоядерное горение этого накопленного материала может привести к дикий взрыв, который посылает рентгеновское излучение по всей Вселенной.

Как именно эти мощные извержения развиваются и распространяются по поверхности нейтронной звезды, остается загадкой. Но, пытаясь воспроизвести наблюдаемые рентгеновские вспышки с помощью моделирования, ученые узнают больше об их тонкостях, а также о сверхплотных нейтронных звездах, которые их производят.

«Мы можем видеть эти события. с помощью моделирования происходят более мелкие детали», — говорит вычислительный астрофизик Майкл Зингейл из Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук.

«Одна из вещей, которые мы хотим сделать, — это понять свойства нейтронной звезды, потому что мы хотим понять, как ведет себя материя при экстремальных плотностях, которые можно обнаружить в нейтронной звезде».

Нейтронные звезды — одни из самых плотных объектов во Вселенной. Это то, что осталось после того, как массивная звезда прожила свою жизнь, у нее закончилось топливо и она взорвалась сверхновой.

Однако в то время как внешний материал улетает в космос, ядро ​​звезды коллапсирует. под действием силы тяжести, образуя сверхплотный шар диаметром около 20 километров (12 миль), упаковывая в эту крошечную сферу столько же массы, сколько и до 2,3 Солнц или около того.

Материя, которая сжимается так плотно, как ожидается, будет немного странно, мягко говоря. Но ученые могут изучить их термоядерные вспышки, чтобы установить ограничения на их размер, что, в свою очередь, может помочь смоделировать их внутреннюю часть.

Мы не можем удобно подойти к нейтронной звезде, чтобы рассмотреть ее поближе, потому что по ряду причин (расстояние, опасность и тому подобное), но мы можем собрать всю возможную информацию о рентгеновских вспышках нейтронных звезд и попытаться создать симуляцию, результаты которой совпадают с данными наблюдений.

Это звучит просто, но физика нейтронных звезд действительно сложна; для моделирования их поведения требуется большая вычислительная мощность.

В предыдущей работе исследователи использовали суперкомпьютер Summit в Национальной лаборатории Ок-Ридж для моделирования термоядерного пламени в двух измерениях. Теперь они опирались на эту работу и масштабировали свои симуляции до третьего измерения.

«Главная цель всегда состоит в том, чтобы связать симуляции этих событий с тем, что мы наблюдали», — объясняет Зингейл. «Мы стремимся понять, как выглядит лежащая в основе звезда, и изучение того, что эти модели могут делать в разных измерениях, жизненно важно».

Температура трехмерной нейтронной звезды была в несколько миллионов раз выше, чем у Солнца. и скорость вращения 1000 оборотов в секунду, что довольно близко к теоретическому верхнему пределу скорости вращения нейтронной звезды. Затем они смоделировали раннюю эволюцию термоядерного пламени.

Хотя пламя в 2D-моделировании распространялось немного быстрее, чем в 3D-версии, тенденции роста в обеих моделях были очень похожими. Это соглашение означает, что 2D-моделирование остается хорошим инструментом для изучения этих бурных взрывов, но есть некоторые вещи, которые оно не может сделать.

Например, турбулентность ведет себя по-разному в двух и трех измерениях; но возможность использовать 2D-симуляцию для тех частей, которые она может выполнить, высвободит вычислительную мощность для других целей, например, для повышения точности прожига.

Имея под рукой эту информацию, моделирование можно приступить к работе. работа над тем, чтобы дать реальное представление о том, как нейтронные звезды устраивают свои ужасные истерики.

«Мы близки к моделированию пламени, распространяющегося по всей звезде от полюса до полюса», — говорит Зингейл. «Это потрясающе».

Результат исследования был опубликован в Астрофизическом журнале.