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Progressi nella simulazione delle Fucine stellari

La catena di reazioni Protone-Protone che produce Elio-4
La catena di reazioni Protone-Protone che produce Elio-4 Tratto da http://www.didascienze.it/

Una collaborazione internazionale di ricercatori ha sviluppato un nuovo metodo per simulare la sintesi di elementi chimici all'interno delle stelle utilizzando un supercomputer.

 Il processo è stato sviluppato da ricercatori dell'Università di Bonn e Università di Bochum, in Germania, in collaborazione con North Carolina State University, Mississippi State University, e il centro di ricerca Jülich in Germania. L'obiettivo del loro lavoro è stato quello di trovare un modo per consentire simulazioni di questo tipo con minore potenza di calcolo ovvero per modellare un processo più complesso di quanto fosse possibile in precedenza.

 Gran parte della vita di una stella è governata dal processo di fusione termonucleare, attraverso cui gli atomi di idrogeno sono convertiti in elio nel nucleo della stella e, soprattutto nelle fasi finali di vita della stella, la fusione crea anche una serie di altri elementi più pesanti. Quando gli scienziati vogliono osservare questi processi si scontrano con un problema: le condizioni all'interno del nucleo di una stella (15 milioni di gradi Celsius nel caso del nostro sole) non sono riproducibili all'interno di un laboratorio. Pertanto, l'unico modo per ricreare i processi all'interno di una stella è utilizzare simulazioni al computer 'ab-initio', cioè partendo dalle condizioni iniziali e seguendone l'evoluzione.

 Per consentire una più efficace simulazione "ab-initio", la squadra di ricercatori ha ideato una nuova tecnica che simula il comportamento dei nucleoni (protoni e neutroni che compongono il nucleo di atomi) su una griglia reticolare virtuale, anziché in spazio libero. Questo ha permesso di sfruttare meglio l'elaborazione parallela del supercomputer, ed ha significativamente ridotto la richiesta di calcolo necessaria per la simulazione. Usando questa tecnica, con l'aiuto del JUQUEEN supercomputer1 al Jülich Supercomputing Center, questo particolare tipo di simulazione ha richiesto alcuni giorni per l'esecuzione invece di migliaia di anni necessari con il vecchio metodo!

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Il supercomputer JUQUEEN con architettura "Blue Gene/Q", installato a Jülich, Germania. Copyright: Forschungszentrum Jülich

 La simulazione della dispersione e deflessione di due nuclei di elio ha coinvolto un totale di otto nucleoni (protoni e neutroni). Questo può non sembrare un risultato straordinario, ma è in realtà senza precedenti, come fino ad ora anche i supercomputer più veloci al mondo potevano simulare solo il più leggero degli elementi, per un massimo di cinque nucleoni. Il problema nasce quando si aumenta il numero di nucleoni simulati: ciascuna di queste particelle interagisce con le altre e deve essere simulato con il stato quantico di ogni particella. "Tutti i metodi esistenti mostarno una crescita esponenziale nelle risorse di calcolo all'aumentare del numero di particelle", spiega Ulf Meißner presso l'Università di Bonn. Ciò che rende diverso il processo di simulazione è la stupefacente efficienza: questa particolare simulazione richiesto circa 2 milioni ore di calcolo utilizzando il nuovo metodo, equivalenti ad alcuni giorni su un supercomputer come JUQUEEN. "Questo è un passo importante nella teoria nucleare", dice Meißner. Esso rende possibili le più avanzate simulazioni "ab-initio" della sintesi stellare di elementi chimici. Il passo successivo a cui Meißner ed i suoi colleghi stanno lavorando è il calcolo ab-initio del "Santo Graal" dell'astrofisica nucleare, la sintesi dell'ossigeno.

1: Si tratta di un supercomputer da 5 Petaflop (5·1015 operazioni al secondo), undicesimo nella graduatoria mondiale e al terzo posto in quella europea secondo l'ultima classifica Top500.

 

Fonte:
https://sciencenode.org/feature/reducing-the-astronomical-computing-power-needed-to-simulate-stars.php?clicked=title

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

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