Нейтронные звёзды представляют для астрофизиков огромный интерес — отчасти из-за сложности их изучения. Однако расчёты, проведённые на суперкомпьютере Frontier, расположенном в Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики США, позволили получить новые данные о внутреннем устройстве нейтронных звёзд.
Вычисления на суперкомпьютере Frontier
Вычислительная мощность Frontier, относящаяся к классу экзаскейл и способная выполнять квинтиллионы и более вычислений в секунду, позволила команде изучить системы частиц беспрецедентного размера.
Нейтронные звёзды образуются после коллапса ядра массивной звезды и последующего взрыва сверхновой. Это самые плотные объекты в космосе, которые можно наблюдать напрямую. Их плотность делает невозможным воспроизведение в лаборатории. Например, два кубических сантиметра вещества нейтронной звезды весили бы столько же, сколько все люди на Земле вместе взятые.
Уравнение состояния нейтронных звёзд
Одним из основных неизвестных аспектов нейтронных звёзд является их уравнение состояния — то есть, как изменение их плотности или температуры влияет на давление внутри звезды. Зная это уравнение, учёные могли бы оценить, насколько массивной может стать нейтронная звезда, поскольку эта максимальная масса определяется борьбой между гравитацией и давлением.
Команда исследователей из Массачусетского технологического института использовала Frontier для построения изоспиновой плотности нейтронной звезды в различных условиях. Их выводы, опубликованные в журнале Physical Review Letters, содержат важные предсказания о том, как взаимодействуют давление и плотность внутри нейтронных звёзд.
Изоспиновая плотность и взаимодействие кварков и глюонов
Нейтроны и протоны имеют равный, но противоположный изоспин — квантовое число, описывающее, сколько верхних и нижних кварков составляют каждую частицу. У большинства звёзд обычно почти равное количество нейтронов и протонов, поэтому их изоспиновая плотность почти равна нулю. Но поскольку в нейтронных звёздах много нейтронов, у них есть ненулевая изоспиновая плотность.
Исследователи рассчитали, как изменение изоспиновой плотности влияет на материю, которую мы наблюдаем. Впервые удалось составить карту того, как изменяется давление при изменении этой плотности.
Вычисления на Frontier
Масштаб, который обеспечивают системы, подобные Frontier, практически необходим для подобных вычислений как с точки зрения параллельных вычислительных мощностей, так и с точки зрения хранения данных. На выполнение таких расчётов на ноутбуке ушло бы тысячелетия.
Исследователи использовали подход, называемый решётчатой КХД (квантовая хромодинамика), который определяет кварки и глюоны в четырёхмерном пространстве-времени. Сетки MIT — одни из крупнейших для расчётов решёточной КХД.
Алгоритм для анализа данных
Новый алгоритм, разработанный командой MIT, позволяет анализировать данные без необходимости генерировать новые выборки каждый раз. Это значительно ускоряет процесс исследования.
Выводы, сделанные командой MIT, помогут создать более полную картину уравнения состояния нейтронных звёзд, помогая астрофизикам делать обоснованные прогнозы о том, что происходит внутри этих далёких звёзд.