Para os astrofísicos, as estrelas de nêutrons se destacam como objetos de fascínio irresistível – talvez, em parte, por causa de quão difíceis de decifrar. Mas os cálculos realizados no supercomputador de fronteira, localizados no Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia, revelaram novas pistas sobre o funcionamento interno das estrelas de nêutrons. O poder de computação da classe exascale da Frontier-capaz de um quintilhão ou mais cálculos por segundo-permitiu à equipe estudar sistemas de partículas de tamanho sem precedentes.
Formado após o núcleo de uma estrela massiva desmorona e o subsequente da estrela Explosão de SupernovaAs estrelas de nêutrons são os objetos mais densos no espaço que podem ser observados diretamente. Essa densidade também os torna impossíveis de replicar em um laboratório. De fato, dois centímetros cúbicos de matéria de estrela de nêutrons pesariam tanto quanto todos os humanos da Terra combinados. E, dado que a estrela de nêutrons mais próxima fica a cerca de 400 anos -luz de distância, sua distância limita a capacidade dos astrofísicos de observar muito sobre suas propriedades through telescópio. Portanto, para entender as condições extremas nas estrelas de nêutrons, os físicos devem recorrer a modelos de computador para prever comportamentos que, esperançosamente, possam ser confirmados por meio da observação.
Um grande desconhecido sobre as estrelas de nêutrons é a equação de estado – em outras palavras, como mudar sua densidade ou temperatura afeta a pressão dentro da estrela. Conhecendo essa equação de estado, os cientistas podem estimar o quão enorme uma estrela de nêutrons pode se tornar, porque essa massa máxima é determinada pelo cabo de guerra entre gravidade e pressão. Essa equação termodinâmica também pode revelar muito sobre a composição subatômica de objetos estelares tão distantes.
Uma equipe de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts usou a Frontier – gerenciada pela instalação de computação de liderança de Oak Ridge, um escritório de usuários do Escritório de Ciências do DOE na ORNL – para traçar a densidade de Isaespin de uma estrela de nêutrons em várias condições. Suas descobertas, publicado em Cartas de revisão físicaForneça previsões importantes sobre como a pressão e a densidade interagem nas estrelas de nêutrons.
“As estrelas de nêutrons são ambientes superDense, sobre os quais sabemos algumas coisas, mas não muito. Não é uma forma de matéria que podemos criar em laboratórios e testar, mas é algo sobre o qual podemos tentar fazer previsões teóricas”, disse William DetmoldPrincipal Investigador do Projeto e Professor do Departamento de Física do MIT. “E é realmente assim que meu objetivo closing é – entender pela teoria subjacente como é o que importa e que tipo de consequências observáveis ele terá para as estrelas de nêutrons”.
Nêutrons e prótons têm isospina igual, mas oposta, um número quântico que descreve quantos quarks de cima e para baixo compõem cada partícula. A maioria das estrelas geralmente tem um número quase igual de nêutrons e prótons, portanto, sua densidade de isospina é quase zero. Mas como as estrelas de nêutrons têm nêutrons abundantes, eles têm uma densidade de isospina diferente de zero. Isso é importante para entender as propriedades do assunto dentro da estrela. Prevendo como as partes constituintes dos prótons e nêutrons (quarks e glúons) Interagir à medida que a densidade e a pressão aumentam, a equação de estado de uma estrela pode ser melhor caracterizada.
“O que basicamente fizemos neste projeto foi calcular como a mudança da densidade de isospina afeta o assunto que vemos. Pela primeira vez, conseguimos mapear como a pressão muda à medida que você muda essa densidade. Agora realmente temos a equação de estado mapeada em todo esse eixo de densidade”, disse Detmold.
Um dos objetivos mais desafiadores para os pesquisadores da física nuclear e de partículas é entender melhor as interações entre quarks e glúons – os blocos de construção de prótons e nêutrons, que compõem núcleos atômicos. A teoria da forte força nuclear que forma as ligações entre essas partículas é chamada de cromodinâmica quântica, ou QCD. Fazer previsões baseadas no QCD requer computação de alto desempenho para resolver suas complicadas equações matemáticas. Os físicos computacionais usam uma abordagem chamada Lattice QCD, que outline quarks e glúons em uma grade espacial 4D. As grades da equipe do MIT são algumas das maiores cálculos de QCD de treliça.
“Os principais componentes desses cálculos de QCD da treliça são chamados de propagadores de quarks, que codificam as probabilidades dos quarks que se movem de um lugar para outro. Se você escrevê-las como entradas em uma matriz, as matrizes seriam os algorits para fazer algo como o 10º a ten, o que é muito grande. disse. “A fronteira é particularmente boa para isso, porque suas GPUs fornecem um nível muito alto de desempenho de ponto flutuante através da aritmética de menor precisão. Trabalhar com essas matrizes não teria sido viável em sistemas anteriores”.
A escala fornecida por sistemas como a Frontier é praticamente uma necessidade de fazer cálculos como esse, tanto em termos de capacidade computacional paralela quanto de armazenamento. Seria necessário muitos milênios para executar esse cálculo, digamos, um laptop computer.
Ryan Abbott, um estudante de doutorado no MIT
As projeções de densidade do isospina produzidas pela equipe do MIT envolveu um processo de vários estágios que começou com cerca de oito meses de computação quase contínua na fronteira. Primeiro, ele executou cálculos de QCD de treliça usando o pacote de software program Chroma e a biblioteca Quda para gerar instantâneos das configurações de quarks e gluon. As matrizes resultantes foram então invertidas e combinadas usando um novo algoritmo criado para este projeto pela equipe do MIT. O algoritmo converte as matrizes em versões esparsas menores para facilitar a análise.
“O novo algoritmo que desenvolvemos nos permite analisá -los sem ter que gerar novas amostras todas as vezes”, disse Detmold. “Podemos basicamente usar o mesmo conjunto de amostras e alterar a quantidade que estamos tentando calcular sobre elas. Portanto, podemos acessar o sistema em diferentes densidades e apenas alterar a densidade quase tanto quanto queremos. Essa é a maior inovação específica para esse problema em explicit, que fizemos para este cálculo”.
A execução dessas inversões exigia o poder de computação exascale da Frontier, que pode exceder um quintilhão de cálculos por segundo.
“The size supplied by methods akin to Frontier is just about a necessity to do calculations like this, each when it comes to parallel computational capability and storage. It might take many millennia to run this calculation on, say, a laptop computer,” mentioned Ryan Abbottum estudante de doutorado do quinto ano do MIT que conduziu grande parte da análise de dados no projeto. “Os sistemas que estudamos são certamente o maior número de partículas em qualquer cálculo do QCD da rede. A maioria dos cálculos de treliça estuda no máximo três ou quatro partículas, enquanto estamos trabalhando com milhares”.
As descobertas feitas pela equipe do MIT ajudarão a criar uma imagem mais completa da equação de Estado das estrelas de nêutrons, ajudando os astrofísicos a fazer projeções informadas sobre o que está acontecendo dentro dessas estrelas distantes.
“Uma das perguntas -chave aqui é se há uma questão de trimestre dentro das estrelas de nêutrons. Realmente, para responder a isso, você nunca terá uma sonda que entra na estrela de nêutrons e a testa. Então, você terá que fazer previsões para o que acontece se houver esse assunto, ou se não existe, e enfrentá -los com o experimento”, disse Detmold.
“A ciência nunca lida com certezas. Você cria uma teoria e pode restringi -la do experimento, mas realmente aprende apenas o que pode aprender com os dados que possui”, acrescentou. “Sempre haverá algum tipo de ambiguidade, e é realmente uma questão de quanto você pode pressionar essa ambiguidade para realmente entender o que está acontecendo no nível elementary”.
A UT-Battelle gerencia o Ornl para o Escritório de Ciência de Doe, o maior defensor de pesquisas básicas nas ciências físicas nos Estados Unidos. O Workplace of Science de Doe está trabalhando para enfrentar alguns dos desafios mais prementes do nosso tempo. Para mais informações, visite Vitality.gov/science.
– Coury Turczyn
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