Вычислить путь звезды: что программисты делают в астрофизике
Астрофизику сегодня невозможно представить без компьютерного моделирования: ученые воссоздают на ЭВМ космические процессы, не доступные для наблюдения, чтобы ставить эксперименты и подтверждать теории. Математики из новосибирского Академгородка пишут программы, которые решают такие задачи в несколько раз эффективнее, чем зарубежные аналоги.
«Задачами астрофизики я занимаюсь с самого начала своей научной жизни, уже примерно 15 лет. За это время мы моделировали самые разные объекты: от звезд и галактик до космической паутины крупномасштабной структуры Вселенной», — рассказывает старший научный сотрудник Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН доктор физико-математических наук Игорь Михайлович Куликов. Сейчас он руководит проектом по суперкомпьютерному моделированию сверхновой типа 1а. Недавно статья об этом вышла в сборнике Supercomputing издательства Springer.
Постановка задачи
Сверхновая — это заключительный этап в жизни некоторых звезд; взрыв, самый сильный, какой только можно наблюдать в космосе. При этом звезда резко становится ярче на 4—8 порядков, а потом постепенно гаснет. Во время взрыва сверхновой выделяется колоссальное количество энергии, и вещество из внешней оболочки звезды распространяется на дальние расстояния, а из остатков образуются или нейтронная звезда, или черная дыра.
При взрыве сверхновой разлетаются продукты термоядерного синтеза, происходившего на протяжении существования звезды, — все жизненно важные химические элементы тяжелее гелия. Это причина эволюции химических веществ: из остатков сверхновых состоит практически все во Вселенной, включая людей.
Ученые исследуют излучение, которое достигает Земли через много лет после образования сверхновой, остатки от взрыва, а также потенциальные звезды-предшественники. На основании этих данных пишут уравнения и строят компьютерные модели, позволяющие наблюдать и исследовать процессы появления сверхновых в режиме реального времени.
«Сверхновая типа 1а рождается в результате взрыва белого карлика — старой звезды, от которой осталось только ядро. У белого карлика есть определенный предел массы, при котором он может существовать, — предел Чандрасекара, равный примерно 1,44 солнечных масс. Если масса белого карлика становится больше, его ядро начинает сжиматься, температура растет, запускается термоядерная реакция. В итоге — взрыв сверхновой, — говорит Игорь Куликов. — Это происходит в том случае, если у белого карлика есть звезда-компаньон, с которой он может слиться, и в результате увеличить свою массу».
Один из сценариев образования сверхновой типа 1а — это так называемый сценарий не центрального взрыва. «Предположительно, белый карлик может взорваться до того, как полностью срастется со своим компаньоном. В таком случае взрыв происходит на периферии, и остатки звезды будут распространяться преимущественно в одном направлении», — поясняет ученый. Эту идею высказал главный научный сотрудник Института астрономии РАН доктор физико-математических наук Александр Васильевич Тутуков, а коллектив ИВМиМГ СО РАН создал компьютерную модель такого сценария. Недавно она нашла подтверждение: в ноябре 2018 года в остатках взрыва сверхновой обнаружили остатки звезды-компаньона.
Ресурсы
Космические вычисления требуют мощной техники. Игорь Куликов, сидя в своем кабинете, использует ноутбук для доступа к суперкомпьютерам, расположенным несколькими этажами ниже. «Современные технологии позволяют работать на расстоянии. Многие научные сотрудники удаленно заходят на наш кластер, передают данные, задача считается, и полученный результат они уже анализируют на своих персональных компьютерах. Можно отправлять задачи в наш центр, находясь как на рабочем месте, так и в командировке или на отдыхе», — рассказывает руководитель Сибирского суперкомпьютерного центра ИВМиМГ СО РАН кандидат физико-математических наук Игорь Геннадьевич Черных. «Это Игорь нас имеет в виду, — улыбается его тезка. — Мы оба даже в отпуск берем рабочие ноутбуки».