Naukowcy opracowali nową metodę obliczeniową umożliwiającą badanie materii neutronowej wewnątrz gwiazd neutronowych przy gęstościach wyższych niż wcześniej badano.
Metoda ta zapewnia wgląd w zachowanie neutrin podczas wybuchów supernowych, zwiększając dokładność symulacji i potencjalnie poprawić nasze zrozumienie takich kosmicznych wydarzeń.
Postępy w symulacji materii neutronowej
Kiedy gwiazda umiera w wyniku supernowej, jej pozostałości mogą zapaść się w gwiazda neutronowa. W tych niezwykle gęstych obiektach protony i elektrony łączą się, tworząc nienaładowane neutrony, tworząc substancję znaną jako materia neutronowa.
Zespół naukowców badał niedawno materię neutronów o większej niż kiedykolwiek wcześniej gęstości, obliczając korelacje jej spinu i gęstości przy użyciu zaawansowanych modeli interakcji jądrowych. Korelacje spinu i gęstości opisują prawdopodobieństwo znalezienia neutronu w określonym miejscu i przy określonym kierunku spinu. Właściwości te są kluczowe dla zrozumienia, w jaki sposób neutrina rozpraszają i przenoszą ciepło podczas supernowych z zapadnięciem się jądra.
Aby uzyskać te spostrzeżenia, badacze wykorzystali najnowocześniejsze symulacje obliczeniowe i opracowali nowatorski algorytm. Algorytm ten znacznie zmniejsza wysiłek obliczeniowy wymagany do symulacji zachowania wielu cząstek, torując drogę do dokładniejszych i wydajniejszych modeli materii neutronów.
Wpływ na technologie symulacji supernowych
Naukowcy mogą wykorzystać wyniki tego nowego badania w realistycznych symulacjach wybuchów supernowych. Prawie cała energia uwolniona podczas supernowej z zapadnięciem się jądra jest przenoszona przez neutrina. Wypływ neutrin na zewnątrz pobudza bogatą w neutrony materię supernowej. Zwiększa to prawdopodobieństwo eksplozji. W ramach tej pracy obliczono, jak rozkłady spinu i gęstości wpływają na indukowane neutrinami ogrzewanie materii bogatej w neutrony. Dostarcza ważnych danych do kalibracji kodów używanych w symulacjach supernowych.
Wystąpił zespół badaczy ze Stanów Zjednoczonych, Chin, Turcji i Niemiec od początku (od najbardziej podstawowych zasad) symulacje w celu obliczenia korelacji spinu i gęstości w materii neutronów przy użyciu realistycznych interakcji jądrowych. Zespół przeprowadził nowe obliczenia przy wyższych gęstościach neutronów niż wcześniej badano. Wyniki można wykorzystać do kalibracji kodów wykorzystywanych do realistycznych symulacji supernowej zapadnięcia się jądra.
Zwiększanie wydajności obliczeniowej w fizyce jądrowej
Aby przeprowadzić obliczenia, badacze wprowadzili nowy algorytm zwany „metodą operatora pierwszego rzędu”, który znacznie zmniejsza wysiłek obliczeniowy potrzebny do obliczenia obiektów obserwacyjnych obejmujących kilka cząstek. Metoda operatora pierwszego rzędu wykorzystuje uproszczenie skomplikowanej matematyki stosowanej do obliczania transportu neutrin przez gęstą materię jądrową, co skutkuje znacznie wydajniejszymi obliczeniami. Od tego czasu metoda operatora pierwszego rzędu została zastosowana do obliczeń innych obiektów obserwowalnych w fizyce jądrowej, a także w innych dziedzinach.
Odniesienie: „Współczynniki struktury gorącej materii neutronowej z Ab Initio Symulacje kratowe z interakcjami chiralnymi o wysokiej wierności” autorstwa Yuan-Zhuo Ma, Zidu Lin, Bing-Nan Lu, Serdar Elhatisari, Dean Lee, Ning Li, Ulf-G. Meißner, Andrew W. Steiner i Qian Wang, 5 czerwca 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.232502
Praca ta była wspierana przez Główny Projekt Badań Podstawowych i Stosowanych w Guangdong, Chińską Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych i Chińską Fundację Nauk Podoktoranckich. Poszczególni badacze otrzymali wsparcie amerykańskiej Narodowej Fundacji Nauki, Biura Naukowego Departamentu Energii, programu Fizyki Jądrowej, NSAF, Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych, Deutsche Forschungsgemeinschaft i Chińskiej Akademii Nauk. Zasoby obliczeniowe zapewniły ośrodek obliczeniowy Oak Ridge Leadership Computing Facility w Oak Ridge National Laboratory, Southern Nuclear Science Computing Center na South China Normal University, Gauss Center for Supercomputing Center w Jülich Supercomputing Center (JSC) oraz Instytut Cyber- Włączone badania na Uniwersytecie Stanowym Michigan.
