Нестационарные явления в окрестностях компактных астрофизических объектов и их математическое моделирование на суперкомпьютерах

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 20-11-20165

НазваниеНестационарные явления в окрестностях компактных астрофизических объектов и их математическое моделирование на суперкомпьютерах

Руководитель Чечеткин Валерий Михайлович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматизации проектирования Российской академии наук , г Москва

Конкурс №45 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-218 - Математическое моделирование физических явлений

Ключевые слова нейтронная звезда, аккреционный диск, нуклеосинтез, гамма-излучение, вырожденный электронный газ, газовая динамика, турбулентность, вихревые структуры, математическое моделирование, консервативные разностные схемы, параллельные алгоритмы, суперЭВМ

Код ГРНТИ41.23.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на изучение сложных многомерных структур течений в нестационарных объектах астрофизики с помощью методов математического моделирования. В проекте будут исследованы трехмерные гидродинамические и магнитогидродинамические течения в аккреционных дисках, исследовано возникновение крупномасштабных вихревых структур и связанное с ними перераспределение углового момента. В проекте предполагается разработать математические модели, вычислительные алгоритмы и комплекс программ, которые дадут возможность моделировать тонкую структуру течения электропроводной плазмы в астрофизических аккреционных дисках в различных приближениях, включая эффекты вязкости, сдвиговой неустойчивости, радиационные эффекты, в том числе перенос излучения. Будут построены газодинамические модели компактных объектов и разработаны методы 2D и 3D многомерной газовой динамики с учетом переноса излучения для решения самосогласованной задачи об аккреции на нейтронную звезду. В уже разработанные трехмерные многотемпературные гидродинамические коды будет включены эффекты вязкости и переноса фотонов. Будут получены данные о мощности и спектре излучения от вещества как в самом диске, так и в пограничном слое вблизи поверхности нейтронной звезды. Проект также предполагает изучение нуклеосинтеза вблизи поверхности нейтронной звезды при высоких температурах T>10^8 K. Аккрецирующее вещество - зто водородная плазма, и при наличии нейстойчивостей и нестационарной аккреции возможен выброс продуктов горения, сходных со взрывным нуклеосинтезом во взрывах сверхновых звезд. Актуальность работы связана наличием экспериментальных данных при наблюдении излучения от аккреционных дисков вблизи компактных объектов. Поскольку эти наблюдения невозможно повторить, востребованы адекватные процессу математические модели. Детальные знания о спектре и мощности, получаемые из расчетов, позволяют классифицировать компактный объект (нейтронная звезда или черная дыра создают разные граничные условия на внутренней границе аккреционного диска) и получить данные о скорости переноса массы в двойной системе. Кроме того, сброс вещества в нестационарной аккреции дает данные о нуклеосинтезе в природе. Вычислительная сложность задачи связана с наличием тонкой переходной области (в сравнении с шириной диска), определяющей роли сдвиговой неустойчивости (необходимость 3D исследования), значительным влиянием излучения (необходим учет перенос излучения в прозрачной и непрозрачной областях). Для разрешения задачи будет использованы явные гидродинамические (ГД) схемы, приспособленные к кластерным вычислительным комплексам, а также ГД схема для многокомпонентной плазмы на основе годуновской схемы, учитывающая перенос излучения в рамках диффузии с ограничением потоков в 2D и 3D реализациях. Для моделирования нуклеосинтеза будет использован как метод трейсеров (в лагранжевых переменных плотность и температура для нуклеосинтеза берется из гидродинамических расчетов), так и код многокомпонентной ГД с самосогласованным расчетом химии и уравнений ГД. Будут построены газодинамические модели компактных объектов и разработаны методы многомерной газовой динамики с учетом переноса нейтрино для решения самосогласованной задачи о взрыве Сверхновой с учетом нейтринного излучения. Уже разработанный многомерный многотемпературный гидродинамический код с переносом нейтрино в рамках диффузионного приближения с ограничением потоков в эйлеровых координатах будет расширен на описание нейтрино с учетом их спектра, влиянии на развитие крупномасштабной неустойчивости формирующегося конвективно неустойчивого прото-нейтронного ядра звезды его начального вращения и перехода от 2D к 3D описанию. Полученные спектральные нейтринные кривые блеска интересны как для планирования эксперимета по регистрации нейтрино. Кроме того они будут использованы для изучения возможности взрыва в сферически-симметричном коде в лагранжевых координатах с переносом нейтрино. Имеющийся многомерный многотемпературный код будет использован для расчета кинетики ядерных реакций в сверхновых типа I с самосогласованным решением газодинамических уравнений для плотности и внутренней энергии. До сих пор применяемый метод трейсеров использует раздельное описание эйлеровой газовой динамики и отдельную задачу о кинетики ядерных реакций в лагранжевых переменных, которая не предпологает обратного влияния этих реакций на плотность и внутреннюю энергию. Будет проведено исследование крупномасштабных гидродинамических процессов в сверхмассивных звёздах, подверженных развитию гидродинамической неустойчивости из-за электрон-позитронных пар. Согласно выдвинутой новой гипотезе, взрывное горение в звездах данного типа может привести к высокоэнергетической вспышке (Сверхновая типа PISN), которая может наблюдаться как гамма-бастер. Данное исследование позволит проверить эту гипотезу и определить основные характеристики и параметры явления. Моделирование эволюции массивных и сверхмассивных звезд, белых карликов и нейтронных звезд, зарождения и динамики в них вихревых структур на основе газодинамической модели и численных методик консервативного метода потоков. Реализация численного моделирования на суперкомпьютерах кластерной архитектуры с использованием нескольких тысяч процессоров. Увеличение быстродействия параллельных алгоритмов прямого вычисления гравитационных сил, дающее возможность осуществлять расчеты на большие времена эволюции, выявлять и визуализировать структуру самогравитирующих астрофизических объектов. Проведение параметрических расчетов для объектов различной массы. Проведение численных экспериментов с применением различных уравнений состояния для изучения влияния последних на гидродинамическую устойчивость, пространственно-нестационарные процессы зарождения и динамики вихревых структур и крупномасштабной турбулентности. Проведение параметрических исследований эволюции быстровращающихся астрофизических объектов, обладающих различной массой и скоростью вращения. Изучение вопросов зарождения и развития вихревых структур и крупномасштабной турбулентности в быстровращающейся звезде.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Фимин Н.Н., Чечеткин В.М. The modifed Newton attraction law and its connection with cosmological Lambda term European Physical Journal Plus (год публикации - 2021)

2. Чечеткин В.М., Аксенов А.Г. Large-Scale Instability in Supernovae and the Neutrino Spectrum Astronomy Reports (год публикации - 2021)

3. Калашников И.Ю., Додин А.В., Ильичев И.В., Крауз В.И., Чечеткин В.М. О причинах коллимированного распространения астрофизических и лабораторных джетов Astronomy Reports (год публикации - 2021)

4. Фимин Н.Н., Чечеткин В.М. The Physical Foundations of Hydrodynamic Processes. Macroscopic and Kinetic Approaches World Scientific (год публикации - 2020)
https://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/11576

5. Калашников И., Баранов А., Шардонет П., Чечеткин В., Филина А. On the emergence of a new instability during core-collapse of very massive stars The Astrophysical Journal (год публикации - 2022)

6. Ведепьянин В.В., Фимин Н.Н., Чечеткин В.М. The generalized Friedmann model as a self-similar solution of Vlasov–Poisson equation system European Physical Journal Plus, 136:670 (год публикации - 2021)
10.1140/epjp/s13360-021-01659-7

7. Аксенов А.Г., Чечеткин В.М. НЕРАВНОВЕСНАЯ НЕЙТРОНИЗАЦИЯ И КРУПНОМАСШТАБНАЯ КОНВЕКЦИЯ ПРИ ГРАВИТАЦИОННОМ КОЛЛАПСЕ АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ (Astronomy Reports), том 99, номер 1 (год публикации - 2022)
10.31857/S0004629922010029

8. Гинзбург С.Л., Дьяченко В.Ф., Михайлова Л.И., Чечеткин В.М., Фимин Н.Н. On the Interaction of Relativistic Colliding Jets of Neutral Dense Plasma Computational Mathematics and Mathematical Physics, v. 61, pp. 453-469 (год публикации - 2021)
10.1134/S0965542521030076

9. Забродина Е.А,, Николаева О. В., Фимин Н.Н., Чечёткин В.М. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ТЕЧЕНИЯ В НАГРЕВАЕМЫХ ТРУБАХ С РАСЧЕТОМ ПОГРАНСЛОЯ ПО БГК-МОДЕЛИ ЖУРНАЛ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ (Computational Mathematics and Mathematical Physics), т. 61, с. 234-249 (год публикации - 2021)
10.31857/S0044466921110168

10. Аксенов А.Г., Чечеткин В.М. Крупномасштабная конвекция в гравитационном коллапсе с переносом нейтрино в двумерных и трехмерных моделях на подробных сетках Астрономический журнал (Astronomy Reports) (год публикации - 2023)

11. Ливенец З.Д., Луговский А.Ю. Формирование и эволюция крупномасштабных вихревых структур в аккреционных звездных дисках Препринты ИПМ, Препринты ИПМ им. М.В.Келдыша, 2022, № 5, 19 с (год публикации - 2022)
10.20948/prepr-2022-5

Публикации

2. Чечеткин В.М., Аксенов А.Г. Large-Scale Instability in Supernovae and the Neutrino Spectrum Astronomy Reports (год публикации - 2021)

Публикации

2. Чечеткин В.М., Аксенов А.Г. Large-Scale Instability in Supernovae and the Neutrino Spectrum Astronomy Reports (год публикации - 2021)