To jedno z najbardziej intensywnych i gwałtownych wydarzeń w kosmosie - supernowa. Dzięki zastosowaniu wyrafinowanych symulacji komputerowych udało im się stworzyć trójwymiarowe modele, które pokazują efekty fizyczne - intensywne i gwałtowne ruchy, które występują, gdy materia gwiezdna jest wciągana do wewnątrz. To odważne, nowe spojrzenie na dynamikę, która zachodzi, gdy gwiazda wybucha.
Jak wiemy, gwiazdy o masie od ośmiu do dziesięciu razy większej od Słońca mają za zadanie zakończyć swoje życie masową eksplozją, gazy wystrzelone w przestrzeń kosmiczną z niewiarygodną siłą. Te kataklizmiczne wydarzenia należą do najjaśniejszych i najpotężniejszych wydarzeń we Wszechświecie i mogą przyćmić galaktykę, gdy się pojawią. To właśnie ten proces tworzy pierwiastki krytyczne dla życia, jakie znamy - i początki gwiazd neutronowych.
Gwiazdy neutronowe są dla siebie zagadką. Te bardzo zwarte gwiezdne pozostałości zawierają nawet 1,5 raza masę Słońca, ale są skompresowane do wielkości miasta. To nie jest powolny uścisk. To ściskanie ma miejsce, gdy rdzeń gwiazdy wszczepia się pod wpływem intensywnej grawitacji własnej masy… i zajmuje to tylko ułamek sekundy. Czy coś może to zatrzymać? Tak. Ma limit. Upadek ustaje, gdy zostanie przekroczona gęstość jąder atomowych. Jest to porównywalne z około 300 milionami ton sprasowanymi w coś wielkości kostki cukru.
Badanie gwiazd neutronowych otwiera zupełnie nowy wymiar pytań, na które naukowcy chętnie odpowiedzą. Chcą wiedzieć, co powoduje zakłócenia gwiezdne i jak implozja rdzenia gwiezdnego może przerodzić się w eksplozję. Obecnie teoretyzują, że neutrina mogą być czynnikiem krytycznym. Te drobne cząstki elementarne powstają i są wydalane w monumentalnych ilościach podczas procesu supernowej i mogą bardzo dobrze działać jako elementy grzewcze, które zapalają eksplozję. Według zespołu badawczego neutrina mogą przekazywać energię do gazu gwiezdnego, powodując wzrost ciśnienia. Stamtąd powstaje fala uderzeniowa, a gdy przyspiesza, może zakłócić gwiazdę i spowodować supernową.
Choć może się to wydawać wiarygodne, astronomowie nie są pewni, czy ta teoria mogłaby działać, czy nie. Ponieważ procesów supernowych nie można odtworzyć w warunkach laboratoryjnych i nie jesteśmy w stanie bezpośrednio zajrzeć do wnętrza supernowych, musimy polegać tylko na symulacjach komputerowych. Obecnie naukowcy są w stanie odtworzyć zdarzenie supernowej za pomocą złożonych równań matematycznych, które odtwarzają ruchy gazu gwiezdnego i właściwości fizyczne zachodzące w krytycznym momencie rozpadu rdzenia. Tego typu obliczenia wymagają użycia jednych z najpotężniejszych superkomputerów na świecie, ale możliwe było również użycie bardziej uproszczonych modeli, aby uzyskać te same wyniki. „Jeśli, na przykład, kluczowe efekty neutrin zostały uwzględnione w niektórych szczegółowych zabiegach, symulacje komputerowe mogłyby być wykonane tylko w dwóch wymiarach, co oznacza, że założono, że gwiazda w modelach ma sztuczną symetrię obrotową wokół osi.” mówi zespół badawczy.
Dzięki wsparciu Rechenzentrum Garching (RZG) naukowcy byli w stanie stworzyć wyjątkowo wydajny i szybki program komputerowy. Zapewniono im także dostęp do najpotężniejszych superkomputerów oraz nagrodę za czas pracy komputera wynoszącą prawie 150 milionów godzin procesorów, co jest największym jak dotąd kontyngentem przyznanym przez inicjatywę Unii Europejskiej „Partnerstwo na rzecz zaawansowanych technologii obliczeniowych (PRACE)”, zespół naukowców z Instytutu Astrofizyki Maxa Plancka (MPA) w Garching mógł teraz po raz pierwszy zasymulować procesy zachodzące w zapadających się gwiazdach w trzech wymiarach oraz z wyrafinowanym opisem całej istotnej fizyki.
„W tym celu wykorzystaliśmy prawie 16 000 rdzeni procesorów w trybie równoległym, ale nadal jeden model trwał około 4,5 miesiąca ciągłego przetwarzania”, mówi doktorant Florian Hanke, który przeprowadził symulacje. Tylko dwa centra obliczeniowe w Europie były w stanie zapewnić wystarczająco mocne maszyny na tak długi okres czasu, a mianowicie CURIE w Très Grand Centre de Calc (TGCC) du CEA pod Paryżem i SuperMUC w Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) w Monachium / Garching.
Biorąc pod uwagę kilka tysięcy miliardów bajtów danych symulacyjnych, zajęło trochę czasu, zanim naukowcy w pełni zrozumieli konsekwencje ich modeli. Jednak to, co zobaczyli, oburzyło ich i zaskoczyło. Gwiezdny gaz działał w sposób bardzo podobny do zwykłej konwekcji, a neutrina sterowały procesem ogrzewania. I to nie wszystko… Znaleźli również silne ruchy spowalniające, które przejściowo zmieniają się w ruchy obrotowe. Takie zachowanie zaobserwowano wcześniej i nazwano niestabilnością szoku przy akrecji stojącej. Według informacji prasowych: „Termin ten wyraża fakt, że początkowa sferyczność fali uderzeniowej supernowej jest spontanicznie przerywana, ponieważ w wyniku szoku powstają pulsujące asymetrie o dużej amplitudzie w wyniku oscylacyjnego wzrostu początkowo małych, przypadkowych zaburzeń nasion. Jednak jak dotąd znaleziono to tylko w uproszczonych i niepełnych symulacjach modelu. ”
„Mój kolega Thierry Foglizzo z Service d A Astrophysique des CEA-Saclay pod Paryżem uzyskał szczegółowe zrozumienie warunków wzrostu tej niestabilności”, wyjaśnia Hans-Thomas Janka, szef zespołu badawczego. „Skonstruował eksperyment, w którym skok hydrauliczny w okrągłym przepływie wody wykazuje pulsacyjne asymetrie w ścisłej analogii do frontu uderzeniowego w zapadającej się materii rdzenia supernowej”. Znany jako Shallow Water Analogue of Shock niestabilność, proces dynamiczny można zademonstrować w mniej spersonalizowany sposób poprzez wyeliminowanie ważnych efektów ogrzewania neutrin - powód, który powoduje, że wielu astrofizyków wątpi, że zapadające się gwiazdy mogą przejść przez ten rodzaj niestabilności. Jednak nowe modele komputerów są w stanie wykazać, że niestabilność wstrząsu na stojąco jest kluczowym czynnikiem.
„Nie tylko reguluje ruchy masy w jądrze supernowej, ale także nakłada charakterystyczne sygnatury na neutrino i emisję fal grawitacyjnych, które można zmierzyć dla przyszłej supernowej galaktycznej. Co więcej, może to prowadzić do silnej asymetrii eksplozji gwiezdnej, podczas której nowo utworzona gwiazda neutronowa otrzyma duże kopnięcie i obrót ”, opisuje członek zespołu Bernhard Müller najważniejsze konsekwencje takich dynamicznych procesów w jądrze supernowej.
Czy zakończyliśmy badania nad supernową? Czy rozumiemy wszystko, co należy wiedzieć o gwiazdach neutronowych? Nie trudno. W chwili obecnej naukowcy są gotowi do kontynuowania badań nad mierzalnymi efektami związanymi z SASI i udoskonalenia prognoz dotyczących powiązanych sygnałów. W przyszłości pogłębią swoje zrozumienie, wykonując coraz dłuższe symulacje, aby pokazać, jak reagują niestabilność i ogrzewanie neutrin. Być może pewnego dnia będą w stanie wykazać, że ten związek jest wyzwalaczem, który zapala eksplozję supernowej i tworzy gwiazdę neutronową.
Źródło oryginalnej historii: Max Planck Institute for Astrophysics News Release.
