據外媒報導，在宇宙中一些最小、密度最大的恆星的中心存在著可能以前所未見的奇異相存在的核物質。中子星是大質量恆星核心在一次發光的超新星爆炸中坍塌時形成，科學家們認為中子星所包含的物質的能量大於粒子加速器實驗如大型強子對撞機和相對論重離子對撞機所能達到的能量。

雖然科學家們無法在地球上重現這些極端條件，但他們可以利用中子星作為現成的實驗室來更好地了解外來物質。許多中子星的直徑只有12.5英里，但質量卻是太陽的1.4到2倍，模擬中子星可以幫助我們人類了解可能存在於它們內部的物質並提供線索以了解它們在如此密度下的行為。

由石溪大學的Michael Zingale領導的一個核天體物理學家團隊正在使用橡樹嶺領導計算設施(OLCF)的IBM AC922 Summit–這是美國最快的超級計算機–來模擬一種被稱為X射線爆炸的中子星現象。這是一種熱核爆炸，發生在中子星的表面，當它的引力場將足夠多的物質從附近的恆星上拉下來時出現。現在，該團隊已經模擬了2D X射線火焰在中子星表面的移動，這樣能幫助研究人員確定下火焰在不同條件下是如何作用的。模擬這一天體物理現象為科學家提供了可以幫助他們更好地測量中子星半徑的數據。

研究小組發現，不同的初始模型和物理原理會導致不同的結果。在該項目的下一階段，該團隊計劃在研究結果的基礎上運行一個大型3D模擬以獲得更準確的X射線爆發現象的圖像。

改變物理

由於中子星模擬需要大量的物理輸入，因此需要大量的計算能力。即使在峰頂，研究人員也只能模擬出中子星表面的一小部分。

為了準確地理解火焰的行為，Zingale的團隊利用Summit為中子星下面的各種特徵建立了火焰模型。該團隊的模擬是在Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment(INCITE)計劃的計算時間分配下完成的。該團隊通過改變表面溫度和自轉速率來代替不同的吸積速率，即恆星從附近恆星積累額外物質時質量增加的速度。

石溪大學博士後研究員、論文第一作者Alice Harpole表示，該團隊模擬了一個更熱的地殼以此獲得了意想不到的結果。

“這個項目最令人興奮的結果之一是我們在模擬中改變地殼溫度時所看到的。在我們之前的工作中，我們使用的是更冷的地殼。我認為雖然使用更熱的外殼可能會有不同，但實際上看到溫度上升產生的不同是非常有趣的，”Harpole說道。

更大規模的計算和更高的複雜度

該團隊在美國能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的OLCF的Summit上模擬了X射線爆發火焰現象。勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)本科生科學實驗室實習項目實習生Nicole Ford在美國國家能源研究科學計算中心(NERSC)的Cori超級計算機上進行了補充模擬。OLCF和NERSC都是能源部科學辦公室的用戶設施，分別位於ORNL和LBNL。

在水平方向上模擬9216個網格單元和在垂直方向上模擬1536個網格單元需要大量的計算能力。團隊成員在團隊完成模擬後利用OLCF的Rhea系統來分析和繪製他們的結果。

在Summit上，該團隊在百億億級庫的自適應網格細化(AMReX)中使用了Castro代碼–它能對爆炸性天體物理現象進行建模，這使得團隊成員能在網格的不同部分實現不同的分辨率。AMReX是百億億次計算項目正在開發的庫之一，該項目旨在使科學應用程序在能源部即將推出的百億億次系統上運行。據悉，百億億次系統能以每秒1018次的速度進行運算。

AMReX提供了一個在超級計算機上並行化的框架，但Castro並不總是能夠利用GPU，這使得Summit對科學研究如此有吸引力。該團隊參加了由OLCF支持的、在布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory)和ORNL舉行的黑客馬拉松以獲得將代碼移植到Summit的GPU上的幫助。

團隊表示，他們計劃運行的即將到來的3D模擬不僅需要GPU，而且還會消耗掉團隊全年INCITE的幾乎全部時間。

Zingale說道：“我們需要竭盡所能。幸運的是，我們已經從這些2D模擬中了解到3D模擬需要做什麼，所以我們為下一個大的努力做好了準備。”