Портал функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Взрыв сверхновой разложили на этапы

Елена Ли

Сверхновые звёзды — основной источник элементов жизни во Вселенной. Существование человечества и всего живого стало возможно благодаря тем химическим элементам, которые были получены в результате взрыва сверхновых звёзд. Сверхновые по механизму взрыва делятся на два класса — термоядерный взрыв и коллапс ядра. Природа их значительно различается, но универсальность математических моделей позволяет описать все этапы взрыва сверхновых звёзд.

Изображение взрыва сверхновой AT2018cow и её галактики CGCG 137-068, расположенной на расстоянии около 200 млн световых лет. Изображение получено 17 августа 2018 года. Вставка в левом верхнем углу — увеличенное изображение галактики с указанием местоположения сверхновой. Впервые сверхновая была обнаружена 16 июня 2018 года с помощью телескопа ATLAS на Гавайях. Дальнейшие наблюдения, проведённые большой группой телескопов, в том числе космическими телескопами ESA Integral и XMM-Newton, выявили источник мощного рентгеновского излучения в центре этого беспрецедентно яркого и быстро развивающегося звёздного взрыва. Фото: R. Margutti/W. M. Keck Observatory.

Взрыв сверхновой на основе коллапса ядра — это этап жизненного цикла звёзд с массой, превышающей массу Солнца в восемь раз и более. На этом этапе структура звезды слоистая. Снаружи — оболочка из лёгких ядер водорода, которые в термоядерных реакциях превращаются в ядра гелия. Средний слой — более тяжёлые элементы, такие как углерод и кислород. Ядро звезды представляет собой разогретый до миллиардов градусов и сжатый до больших плотностей газ из самых тяжёлых в звезде элементов — ядер железа.

Когда лёгкое ядерное топ-ливо оболочки выгорает и энергия термоядерных реакций не может противодействовать сдавливающей в центр звезды силе гравитации, происходит сильное сжатие — коллапс ядра. Гравитационное сжатие настолько сильное, что электроны вдавливаются в протоны, и образуется сверхплотное разогретое нейтронное вещество. На определённом этапе оно перестаёт сжиматься, и ничто с внешних оболочек звезды не может проникнуть внутрь. Возникает обратная ударная волна, идущая наружу. Волна несётся сквозь верхние слои вещества со скоростью до 40 тыс. км/с, увлекая за собой вещество в открытый космос. Разлёт разогретого газа сопровождается мощной световой вспышкой, именно её и называют вспышкой сверхновой.

В результате взрыва в центре бывшей звезды остаётся нейтронная звезда с массой, сравнимой с массой Солнца. Вокруг образуется облако межзвёздного вещества, которое может простираться за пределы родной галактики звезды. В «печи» взрыва сверхновой происходит синтез ядер тяжелее железа. Потому сверхновые объективно считаются колыбелью жизни вещества во Вселенной. Изучение вспышек сверхновых может дать ответы на вопросы, как образовалось вещество, окружающее и составляющее нас сегодня. Непосредственное наблюдение за остаточным излучением взрывов сверхновых, дошедшим до Земли спустя миллионы лет, осложняется тем, что 99% энергии взрыва уносится с лёгкими нейтральными частицами — нейтрино. Частицы практически не взаи-
модействуют с материей, а потому сложно обнаружить их детекторами, установленными на Земле. Поэтому ключевую роль в исследовании сверхновых звёзд играют расчёты и моделирование.

Сотрудники лаборатории суперкомпьютерного моделирования Института вычислительной математики и математической геофизики (ИВМиМГ) СО РАН под руководством Игоря Михайловича Куликова с целью воссоздания механизмов и этапов взрыва сверхновой провели расчёты, для которых разработали специальный код, учитывающий многообразие физических процессов и ядерных реакций, происходящих при взрыве сверхновых. Под особенности каждого процесса подбирались имеющиеся в распоряжении вычислительные мощности Сибирского суперкомпьютерного центра СО РАН (ЦКП ССКЦ СО РАН). Об этих расчётах рассказал заведующий лабораторией суперкомпьютерного моделирования ИВМиМГ СО РАН Игорь Геннадьевич Черных на конференции «Суперкомпьютерные дни в России», недавно прошедшей в Москве.

Взрыв сверхновой на основе коллапса ядра обычно начинают рассчитывать в точке максимальной плотности — в геометрическом центре звезды. В этом случае задача симметрична. Новосибирские учёные моделировали не центрально-симметричный термоядерный взрыв сверхновой. В итоге одним расчётом необходимо было описать гидродинамику явления и ядерное горение углерода. Все эти процессы требуют вычислительного оборудования различной конфигурации. Чем сложнее процесс и уравнения, его описывающие, тем больше вычислений необходимо проделать. Соответственно необходимы более мощный процессор, более быстрая и оперативная память.

Чтобы одновременно использовать вычислительные узлы разной конфигурации, специалисты модифицировали часть программного кода, разделив процессы гидродинамики взрыва, коллапса ядра и турбулентного горения вещества. Одни процессы считали с помощью новейших процессоров Intel® на базе микроархитектуры Cascade Lake — 24 ядра на процессор. Количество ядер определяет количество вычислений, проводимых параллельно — независимо друг от друга. Использовали два процессора, то есть 48 ядер и терабайт оперативной памяти. Другая часть физики «поддавалась» моделированию на классических вычислительных узлах на базе процессоров с микроархитектурой Broadwell, младше Cascade Lake на несколько поколений: два процессора по 16 ядер каждый, 128 Гб оперативной памяти. Данные с различных узлов объединялись через высокоскоростную сеть связи.

Использовалось единое адресное пространство для расчёта и хранения данных — некий промежуточный вариант между жёстким диском и оперативной памятью. Необходимость постоянного обмена данными при этом исключается, а потому сокращается время расчёта. Для получения единого адресного пространства (объединения адресных пространств) использована виртуальная машина, создаваемая в операционной системе.

К такой оптимизации физики обратились из-за того, что подобные расчёты требуют вычислительных мощностей, какими не располагает большинство российских исследовательских институтов. По данным сайта www.top500.org, за первое полугодие 2019 года Россия потеряла одну позицию из трёх в списке пятисот ведущих вычислительных комплексов мира — суперкомпьютер «Ломоносов» Московского государственного университета. Суперкомпьютер «Ломоносов-2» Московского государственного университета занимает 93-ю строчку рейтинга, 364-е место принадлежит машине «Cray XC40» — Главного вычислительного центра Росгидромета. Лидером в этом списке по-прежнему остаётся Китай, имеющий 216 суперкомпьютеров. США обладают 113-ю машинами. Практически все остальные мощности распределены между Японией и Евросоюзом.

Оптимизация вычислительной модели и кода расчёта в сочетании с конфигурацией вычислительных мощностей, подобранной под конкретную задачу, — ключ к максимальной производительности в условиях ограниченных возможностей российской действительности. Полученные в результате расчётов изображения поэтапного взрыва сверхновой (типа Ia), по мнению новосибирских учёных, отражают их теоретические представления. Поэтому предложенный способ расчёта весьма перспективен для решения самых разнообразных научных задач на суперЭВМ сравнительно малых мощностей.


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Вести из лабораторий»