利用超级计算机对在致密中子星表面蔓延的 X 射线爆发火焰进行建模

　　石溪大学的一个团队使用 ORNL 的 Summit 超级计算机对在致密中子星表面蔓延的 X 射线爆发火焰进行建模。

　　宇宙中一些最小和密度最大的恒星的核心是可能存在于从未观察到的奇异相中的核物质。当大质量恒星的核心在发光的超新星爆炸中坍缩时形成的中子星被认为含有能量高于粒子加速器实验（例如大型强子对撞机和相对论重离子）的物质对撞机。

　　尽管科学家无法在地球上重现这些极端条件，但他们可以使用中子星作为现成的实验室来更好地了解奇异物质。模拟中子星，其中许多直径只有 12.5 英里，但质量约为太阳的 1.4 到 2 倍，可以深入了解其内部可能存在的物质，并提供有关它在这种密度下如何表现的线索。

　　由石溪大学迈克尔·辛格尔 （Michael Zingale） 领导的一个核天体物理学家团队正在使用橡树岭领导计算设施 （OLCF） 的 IBM AC922 峰会，这是美国最快的超级计算机，对一种称为 X 射线爆发的中子星现象进行建模——这是一种热核爆炸当中子星的引力场将足够多的物质从附近的恒星中拉出时，它就会发生在中子星的表面。现在，该团队模拟了在中子星表面移动的 2D X 射线爆发火焰，以确定火焰在不同条件下的行为。模拟这种天体物理现象为科学家提供了数据，可以帮助他们更好地测量中子星的半径，该值对于研究中子星内部的物理学至关重要。结果发表在天体物理学杂志。

　　该小组发现不同的初始模型和物理导致了不同的结果。在项目的下一阶段，该团队计划根据研究结果进行一次大型 3D 模拟，以获得更准确的 X 射线爆发现象图片。

　　中子星模拟需要大量的物理输入，因此需要大量的计算能力。即使在 Summit 上，研究人员也只能模拟中子星表面的一小部分。

　　为了准确了解火焰的行为，Zingale 的团队使用 Summit 为底层中子星的各种特征对火焰进行建模。该团队的模拟是在创新和新颖的计算对理论和实验的影响 （INCITE） 计划下的计算时间分配下完成的。该团队改变了表面温度和旋转速率，将它们用作不同吸积率的代理——或者当恒星从附近的恒星积累额外物质时，质量增加的速度有多快。

　　该论文的第一作者、石溪大学博士后研究员 Alice Harpole 建议该团队模拟更热的地壳，从而产生意想不到的结果。

　　“这个项目最令人兴奋的结果之一是我们在模拟中改变地壳温度时看到的结果。”Harpole 说。“在我们之前的工作中，我们使用了较冷的外壳。我认为使用更热的外壳可能会有所不同，但实际上看到温度升高产生的差异非常有趣。”

　　该团队在美国能源部 （DOE） 橡树岭国家实验室 （ORNL） 的 OLCF 峰会上模拟了 X 射线爆裂火焰现象。Nicole Ford 是劳伦斯伯克利国家实验室 （LBNL） 科学本科实验室实习计划的实习生，她在国家能源研究科学计算中心 （NERSC） 的 Cori 超级计算机上进行了补充模拟。OLCF 和 NERSC 是分别位于 ORNL 和 LBNL 的 DOE 科学用户设施办公室。

　　模拟水平方向的 9,216 个网格单元和垂直方向的 1,536 个单元格，这项工作需要大量的计算能力。团队完成模拟后，团队成员利用 OLCF 的 Rhea 系统来分析和绘制他们的结果。

　　在 Summit 上，该团队在数据库云服务器(AMReX)库的自适应网格细化中使用了卡斯特罗代码(能够模拟爆炸性天体物理现象)，这使得团队成员可以在网格的不同部分实现不同的分辨率。AMReX 是 Exascale Computing Project 正在开发的库之一，旨在使科学应用程序在 DOE 即将推出的 exascale 系统上运行，包括 OLCF 的 Frontier。Exascale 系统将能够在 exaflops 范围内进行计算，即每秒 10 18 次计算。

　　AMReX 为超级计算机上的并行化提供了一个框架，但 Castro 并不总是能够利用使 Summit 对科学研究如此有吸引力的 GPU。该团队参加了布鲁克海文国家实验室和 ORNL 由 OLCF 主办的黑客马拉松，以获取将代码移植到 Summit 的 GPU 的帮助。

　　该团队表示，他们计划运行的即将到来的 3D 模拟不仅需要 GPU，而且几乎将耗尽团队全年的所有 INCITE 时间。

　　“我们需要竭尽所能。”Zingale 说。“幸运的是，我们已经从这些 2D 模拟中了解到我们需要为 3D 模拟做些什么，所以我们已经为下一个重大努力做好了准备。”