了解热核火焰如何在中子星表面传播，以及这种传播可以告诉我们中子星质量与其半径之间的关系，也可以揭示许多有关恒星成分的信息。

热核火焰天体物理学家利用超级计算机探索奇异的恒星现象

中子星——超新星爆炸的致密残余物——遍布宇宙各处。由于大多数恒星都位于双星系统中，因此中子星可能有一个恒星伴星。当物质从其伴星聚集在中子星表面并被中子星的强烈引力压缩时，就会发生X射线爆发，从而导致热核爆炸。

纽约州立大学石溪分校和加州大学伯克利分校的天体物理学家使用橡树岭领导计算设施的Summit超级计算机来比较2D和3D的X射线爆发模型。OLCF是能源部科学办公室用户设施，位于能源部橡树岭国家实验室。

Summit的高性能计算能力(由其图形处理单元或GPU加速)是团队执行3D模拟能力的关键因素。所有计算工作都被卸载到GPU上。与使用节点上的所有中央处理单元(或CPU)内核相比，这使得团队使用Summit计算节点上的所有GPU运行模拟的速度快了一个数量级以上。(Summit有4,608个节点，每个节点包含两个IBMPOWER9CPU和六个NVIDIAVoltaGPU。)

“我们可以通过模拟更详细地看到这些事件的发生。我们想做的一件事是了解中子星的特性，因为我们想了解物质在中子星中发现的极端密度下的行为，”该项目的领导者、纽约州立大学石溪分校物理和天文学系教授迈克尔·津格尔(MichaelZingale)说道。

通过将热核火焰的计算机模型与观测到的X射线爆发辐射进行比较，研究人员可以限制源的尺寸来计算中子星的半径。

尽管中子星的平均直径只有12英里，但其质量约为太阳的1.4至2倍。质量和半径是根据极端条件下物质的行为来了解中子星内部的重要因素。这种行为是由恒星的“状态方程”决定的，该方程描述了中子星的压力和内能如何响应其密度、温度和成分的变化。

该研究基于先前2D模拟的见解生成了3D模拟，该团队为模拟穿过中子星表面的X射线爆发火焰进行了模拟。二维研究的重点是不同条件下的火焰传播，例如表面温度和旋转速率。二维模拟表明，不同的物理条件导致不同的火焰蔓延速率。

为了扩展这些结果，3D模拟使用了Summit上的Castro代码及其底层百亿亿次AMReX库。AMReX库由Exascale计算项目开发，旨在帮助科学应用程序在DOE的exascale系统上运行，包括OLCF的HPECrayEX超级计算机Frontier。模拟结果发表在《天体物理学杂志》上。

“最大的目标始终是将这些事件的模拟与我们所观察到的联系起来，”津格尔说。“我们的目标是了解底层恒星的样子，探索这些模型在不同维度上的作用至关重要。”

该团队的3D模拟重点关注火焰的早期演化，并使用比太阳高数百万倍的中子星地壳温度，旋转速率为1,000赫兹。3D火焰在中子星周围传播时不会保持完美的圆形，因此该团队使用火焰产生的灰烬材料的质量来确定与2D火焰的燃烧相比，燃烧发生的速度。

尽管二维模型中的燃烧速度稍快，但两种模拟中的增长趋势相似。模型之间的一致性表明，二维模拟仍然是模拟中子星表面火焰传播的良好工具。

然而，需要进行3D模拟来捕捉更复杂的相互作用，例如火焰在传播时遇到的湍流，这是由恒星在物质吸积层中的对流燃烧产生的。2D和3D中的湍流有着根本的不同。

此外，该团队还可以通过提高核燃烧的物理保真度并扩大他们模拟的恒星区域，从而增加更多的真实感，从而应用他们从能够跟踪大部分二维演化中实现的“节省”。

其他设施用于研究这些天体物理系统，但正在解决问题的其他部分。密歇根州立大学稀有同位素束(FRIB)设施推出了世界上最强大的重离子加速器。FRIB将探索由X射线爆发产生的富质子核，Zingale的团队将能够利用这些数据来改进自己的模拟。

“我们已经接近模拟整个恒星从两极到另一极传播的火焰。这令人兴奋，”津格尔说。