Supercomputer: Neue Einblicke in Gammastrahlen-Doppelsternsysteme

Die Arbeitsgruppe um Ralf Kissmann am Institut für Astro- und Teilchenphysik war in der Lage erfolgreich Rechenzeit im Rahmen des europäischen PRACE-Projekts einzuwerben. Damit wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler neue Einblicke in die Entstehung hochenergetischer Strahlung in Gammastrahlen-Doppelsternen gewinnen.
Turbulente Wechselwirkung der Sternwinde
Bild: Die turbulente Wechselwirkung der Sternwinde eines Pulsars und eines Riesensterns führt zur Ausbildung einer ausdehnten Kollisionszone, in welcher Teilchen zu höchsten Energien beschleunigt werden können. Dargestellt sind Ergebnisse aus vorangegangenen Simulationen des LS 5039 Systems, welche auf der Forschungsinfrastruktur des Instituts für Astro- und Teilchenphysik durchgeführt wurden. (Credit: David Huber)

Insgesamt wurden für dieses Projekt 27 Millionen CPU-Stunden auf dem Joliot-Curie Rome System bewilligt, Frankreichs größtem Supercomputer für wissenschaftliche Forschung. Gammastrahlen-Doppelsterne, wie das in diesem Projekt untersuchte LS 5039 System, gehörenzu den extremsten bekannten astrophysikalischen Objekten. Sie emittieren den überwiegenden Teil der von ihnen erzeugten Strahlung bei den höchsten detektierbaren Energien weit oberhalb der Röntgenstrahlung, im sogenannten Gammaband. In gängigen Modellen werden sie als ein Verbund von einem blauen Riesenstern und einem Pulsar beschrieben, einem schnell rotierender Neutronenstern. Von beiden Sternen gehen dabei sogenannte Sternenwinde aus, die schließlich miteinander kollidieren. Die dabei freigesetzte Energie führt zur Beschleunigung energiereicher Teilchen und letztlich zur Entstehung der beobachteten Strahlung. In der Arbeitsgruppe um Ralf Kissmann wurde ein neues Modell für solche Systeme entwickelt, welches zum ersten Mal die Dynamik der relativistischen Sternwinde gemeinsam mit der Teilchenbeschleunigung simuliert. Eine akkurate Modellierung der Strahlung aus diesen Doppelsternsystemen erfordert insbesonderedie Berücksichtigung von Turbulenzen in den Sternenwinden.

Nie dagewesene Komplexität

Dafür müssen solch kleine räumliche Skalen berücksichtigt werden, dass die an der Uni Innsbruck oder national zur Verfügung stehenden Rechenkapazitäten nicht ausreichen. Deshalb hat Ralf Kissmann zusammen mit seinem Team vom Institut für Astro- und Teilchenphysik und vom Forschungszentrum für High-Performance-Computing Rechenzeit beim europäischen Supercomputing-Netzwerk PRACE beantragt. Dazu mussten das Team, nebst der bestandenen wissenschaftlichen Evaluierung, nachweisen, dass der für solche Modelle am Institut für Astro- und Teilchenphysik entwickelte CRONOS-Code auf bis zu 16000 Rechenkernen gleichzeitig effizient ausgeführt werden kann. Die bewilligte Rechenzeit ermöglicht es, LS 5039 mit nie dagewesener Komplexität zu modellieren, was dazu beitragen wird, das Verständnis der gesamten Objektklasse der Gammastrahlen-Doppelsterne zu verbessern.

 

Frankreichs derzeit schnellster Supercomputer für wissenschaftliche Forschung „Joliot Curie“ in Bruyères-le-Châtel mit einer Peak-Leistung von 22 petaflop/s. Credit: CEA CADAM

 

Technische Eckdaten
Projektlaufzeit: 1.10.2020-30.9.2021
Bewilligte Rechenzeit: 27 Millionen CPU-Stunden auf Joliot-Curie Rome
PI: Ralf Kissmann (Institut fur Astro- und Teilchenphysik)
Co-PIs: David Huber (Institut fur Astro- und Teilchenphysik), Philipp Gschwandtner (Forschungszentrum High-Performance Computing)

(David Huber und Ralf Kissmann)

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