Астрофизики смоделировали экзотическую материю в нейтронных звездах

В основе самых маленьких и самых плотных звезд во Вселенной лежит ядерная экзотическая материя, которая может существовать в невиданных ранее фазах. Считается, что нейтронные звезды, которые образуются, когда ядра массивных звезд коллапсируют в результате взрыва светящейся сверхновой, содержат материю с энергиями выше, чем те, которые могут быть достигнуты в экспериментах с ускорителями частиц, таких как эксперименты на Большом адронном коллайдере.

Хотя ученые не могут воссоздать эти экстремальные условия на Земле, они могут использовать нейтронные звезды как готовые лаборатории, чтобы лучше понять экзотическую материю.

Моделирование нейтронных звезд, многие из которых имеют диаметр всего 20 километров, но при этом имеют массу в 1,4–2 раза превышающей массу Солнца, может дать представление о материи, которая существует в их недрах, и дать подсказки о том, как она ведет себя при такой плотности.

Группа астрофизиков во главе с Майклом Зингейлом из Университета Стоуни-Брук использовала суперкомпьютер Summit IBM AC922 для моделирования явления нейтронной звезды, называемого рентгеновской вспышкой, — термоядерного взрыва, который возникает на поверхности нейтронной звезды, когда ее гравитационное поле оттягивает достаточно большое количество вещества от ближайшей звезды.

Теперь ученые смоделировали двумерную вспышку пламени в рентгеновских лучах, движущуюся по поверхности нейтронной звезды, чтобы определить, как пламя действует в различных условиях.

Моделирование этого астрофизического явления предоставляет ученым данные, которые могут помочь им лучше измерить радиусы нейтронных звезд — показатель, который имеет решающее значение для изучения физики внутри нейтронных звезд.

«Астрономы могут использовать рентгеновские вспышки для измерения радиуса нейтронной звезды, что является проблемой, потому что она настолько мала», — сказал Майкл Зингейл. «Если мы знаем радиус, мы можем определить свойства нейтронной звезды и понять материю, которая находится в ее центре. Наше моделирование поможет связать физику горящего пламени рентгеновской вспышки с наблюдениями».

Ученые обнаружила, что разные исходные модели и физика приводят к разным результатам. На следующем этапе проекта команда планирует запустить одно большое 3D-моделирование на основе результатов исследования, чтобы получить более точную картину явления рентгеновской вспышки.

Трудности моделирования

Моделирование нейтронных звезд требует огромного количества физических данных и, следовательно, огромных вычислительных мощностей. Даже на Саммите исследователи могут позволить себе смоделировать лишь небольшую часть поверхности нейтронной звезды.

Чтобы точно понять поведение пламени, ученые использовали Summit для моделирования пламени по различным характеристикам нейтронной звезды. Моделирование было выполнено в рамках распределения вычислительного времени по программе инновационных и новых вычислений, влияющих на теорию и эксперимент (INCITE).

Команда исследователей варьировала температуру поверхности и скорость вращения, используя их в качестве показателей для различных темпов аккреции — или скорости увеличения массы звезды по мере того, как она накапливает дополнительное вещество от соседней звезды.

Элис Харпол, доктор наук из Университета Стоуни-Брук и ведущий автор статьи, предположила, что команда смоделировала более горячую кору, что привело к неожиданным результатам.

«Одним из самых захватывающих результатов этого проекта стало то, что мы увидели, когда изменили температуру коры в наших моделированиях», — сказала Элис Харпол. «В нашей предыдущей работе мы использовали более холодную кору. Я подумала, что может иметь значение использование более горячей коры, но на самом деле было очень интересно увидеть разницу, вызванную повышением температуры».

Ученые говорят, что предстоящее 3D-моделирование, которое они планируют запустить, потребует не только графических процессоров — оно отнимет почти все время INCITE в течение всего года.

«Нам нужно добиться максимальной производительности, насколько это возможно, — сказал Майкл Зингейл. «К счастью, мы узнали из этих 2D-симуляций, что нам нужно делать для нашего 3D-моделирования, поэтому мы готовы к следующему большому предприятию».

Результаты работы были опубликованы в Astrophysical Journal.