中性子星は、大質量星がその寿命を終えて崩壊し、超新星となった残骸であるが、今でも大規模なフレアを発生させることがある。この驚異的なエネルギーのバーストは、宇宙空間を伝播するX線を放出する。シミュレーションは複雑だが、天文学者たちはスーパーコンピューターの助けを借りた。磁場のねじれ、ガスや塵との相互作用をモデル化することで、フレアを起こす中性子星の表面が驚くほど3Dで明らかになった。
星の一生を通して、内側に向かう重力の力は、外側に押し出される熱核の力と釣り合っている。太陽のような恒星は、熱核の力が重力の力に打ち勝つ。より大質量の星では、星のコアが崩壊し、その反動で超新星爆発を起こし、重力の力が熱核の力に勝つ。その結果、超高密度のコアが形成され、陽子と中性子の間の空間が崩壊中に消滅する。その結果、数キロの大きな中性子ができる。
中性子星が伴星を持つことは十分に可能で、星が公転する際に中性子星は伴星から物質を剥ぎ取る。物質が中性子星に蓄積され、重力の力で圧縮され、熱核爆発を起こし、X線が放出される。このX線の放出と、それがどのように中性子星の表面全体に広がるかを理解することで、中性子星とその組成について多くのことがわかる。
ニューヨーク州立大学とカリフォルニア大学の天体物理学者のチームは、X線バーストを2Dおよび3Dモデルでシミュレートしようとしている。これを実現するための課題のひとつは、膨大な計算能力を必要とすることである。これを克服するため、チームはOak Ridge Leadership Computing Facilityのスーパーコンピューター「Summit」スーパーコンピューターを使用して、モデルの解析と比較を行った。
Summitは、このタスクに適している。高性能CPUと高速グラフィック・プロセッシング・ユニットを組み合わせることで、チームはシミュレーションを実行することができた。シミュレーションの実行をグラフィック・プロセッシング・ユニットに任せることで、中央演算処理装置はモデルの比較に使えるようになった。研究チームは、中性子星の半径を計算できるように、天体の大きさを制限することができた。通常、中性子星は最大12kmの大きさだが、質量は太陽の最大2倍である。フレアを研究することは、物質が極端な条件下でどのように振る舞うかによって、中性子星の質量と半径を推測できることを意味する。
3Dで生成されたモデルは、以前の2Dモデルから情報を得た。異なる星表面温度と自転率のモデルを用いて、火炎の伝播について調べた。2D研究では、物理的条件の違いによって火炎の伝播速度が異なることが示された。3Dシミュレーションでは、表面温度が太陽の数百万倍、自転速度が1,000ヘルツ（1秒間に1,000公転）の中性子星の表面を横切るフレアの進展を調べた。これらのシミュレーションでは、炎は円形のままではなく、その結果生じる灰を使って、燃焼の進行速度を知ることができた。
その結果、2Dモデルの燃焼は3Dモデルよりもわずかに速かったが、両者とも同程度であった。乱流のような複雑な相互作用が必要な場合は、3Dモデルが必要になる。星全体に広がる炎全体をモデル化できるよう努力を続ける彼らにとって、エキサイティングな時間が待っている。
Sources
- Oak Ridge National Laboratory: Scientists use Summit supercomputer to explore exotic stellar phenomena
この記事は、MARK THOMPSON氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス（表示4.0 国際）に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。
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