Det är en av de mest intensiva och våldsamma av alla händelser i rymden - en supernova. Genom att använda sofistikerade datasimuleringar har de kunnat skapa tredimensionella modeller som visar de fysiska effekterna - intensiva och våldsamma rörelser som uppstår när stjärnmaterial dras inåt. Det är en djärv, ny blick på dynamiken som händer när en stjärna exploderar.
Som vi vet är stjärnor som har åtta till tio gånger solens massa avsett att avsluta sina liv i en massiv explosion, gaserna blåses ut i rymden med otrolig kraft. Dessa kataklysmiska händelser är bland de ljusaste och mest kraftfulla händelserna i universum och kan överträffa en galax när de inträffar. Det är just denna process som skapar livskritiska element så som vi känner det - och början av neutronstjärnor.
Neutronstjärnor är en gåta för sig själva. Dessa mycket kompakta stjärna-rester innehåller så mycket som 1,5 gånger solens massa, men är komprimerade till storleken på en stad. Det är inte en långsam klämma. Denna komprimering inträffar när den stjärna kärnan imploderar från den intensiva gravitationen av sin egen massa ... och det tar bara en bråkdel av en sekund. Kan något stoppa det? Ja. Det har en gräns. Kollaps upphör när atomkärnornas densitet överskrids. Det är jämförbart med cirka 300 miljoner ton som komprimeras till något på sockerkubens storlek.
Att studera neutronstjärnor öppnar upp en helt ny dimension av frågor som forskare är angelägna om att besvara. De vill veta vad som orsakar störa störningar och hur kan implosionen av den stjärna kärnan återgå till en explosion. För närvarande teoretiserar de att neutrino kan vara en kritisk faktor. Dessa små elementära partiklar skapas och utvisas i monumentalt antal under supernovaprocessen och kan mycket väl fungera som värmeelement som antänder explosionen. Enligt forskargruppen kan neutrino sända energi in i den stellar gasen och få den att bygga upp tryck. Därifrån skapas en chockvåg och när den påskyndas kan den störa stjärnan och orsaka en supernova.
Så lika sannolikt som det kanske låter är astronomer inte säkra på om denna teori skulle fungera eller inte. Eftersom processerna för en supernova inte kan återskapas under laboratorieförhållanden och vi inte kan se direkt in i en supernova, måste vi bara lita på datorsimuleringar. Just nu kan forskare återskapa en supernovahändelse med komplexa matematiska ekvationer som replikerar rörelserna från stjärngas och de fysiska egenskaperna som inträffar i det kritiska ögonblicket för kärnkollaps. Dessa typer av beräkningar kräver användning av några av de mest kraftfulla superdatorerna i världen, men det har också varit möjligt att använda mer förenklade modeller för att få samma resultat. "Om till exempel de avgörande effekterna av neutrino inkluderades i en detaljerad behandling, kunde datorsimuleringarna bara utföras i två dimensioner, vilket innebär att stjärnan i modellerna antogs ha en konstgjord rotationssymmetri runt en axel." säger forskarteamet.
Med stöd av Rechenzentrum Garching (RZG) kunde forskare skapa i ett enastående effektivt och snabbt datorprogram. De fick också tillgång till mest kraftfulla superdatorer, och en datortidutdelning på nästan 150 miljoner processortimmar, vilket är den största kontingenten som hittills beviljats av initiativet "Partnerskap för avancerad datorutveckling i Europa (PRACE)" från Europeiska unionen, team av forskare vid Max Planck Institute for Astrophysics (MPA) i Garching kunde nu för första gången simulera processerna i kollapsande stjärnor i tre dimensioner och med en sofistikerad beskrivning av all relevant fysik.
”För detta ändamål använde vi nästan 16 000 processorkärnor i parallellt läge, men ändå tog en enda modellkörning cirka 4,5 månader kontinuerlig beräkning”, säger doktorand Florian Hanke, som utförde simuleringarna. Endast två datorcentra i Europa kunde tillhandahålla tillräckligt kraftfulla maskiner under så långa tidsperioder, nämligen CURIE vid Très Grand Centre de calcul (TGCC) du CEA nära Paris och SuperMUC vid Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) i München / Garching.
Med tanke på flera tusen miljarder byte simuleringsdata tog det lite tid innan forskarna fullt ut kunde förstå konsekvenserna av deras modellkörningar. Men vad de såg både upphetsade och förvånade dem. Stjärngas utfördes på ett sätt som liknar vanlig konvektion, med neutrinoerna som driver uppvärmningsprocessen. Och det är inte allt ... De hittade också starka rörelser som övergående ändrar till rotationsrörelser. Detta beteende har observerats tidigare och har fått namnet Standing Accretion Shock Instability. Enligt nyhetsmeddelandet uttrycker ”detta begrepp det faktum att den initiala sfären hos supernovaschockvågen spontant bryts, eftersom chocken utvecklar stor amplitud, pulserande asymmetrier genom den oscillerande tillväxten av initialt små, slumpmässiga utsädesstörningar. Hittills har detta dock hittats endast i förenklade och ofullständiga modellsimuleringar. ”
"Min kollega Thierry Foglizzo vid Service d 'Astrophysique des CEA-Saclay nära Paris har fått en detaljerad förståelse för tillväxtförhållandena för denna instabilitet", förklarar Hans-Thomas Janka, chef för forskargruppen. "Han har konstruerat ett experiment, där ett hydrauliskt hopp i ett cirkulärt vattenflöde visar pulserande asymmetrier i nära analogi med chockfronten i supernovakärnans kollaps." Känd som Shallow Water Analog of Shock Instability kan den dynamiska processen demonstreras på mindre tekniska sätt genom att eliminera de viktiga effekterna av neutrinovärme - en anledning som får många astrofysiker att tvivla på att kollapsande stjärnor kan gå igenom denna typ av instabilitet. De nya datormodellerna kan emellertid påvisa att Stabil ackretionsstörning är en kritisk faktor.
”Det styr inte bara massrörelserna i supernovakärnan utan påför också karakteristiska signaturer på neutrino- och gravitationsvågutsläppet, vilket kommer att vara mätbart för en framtida galaktisk supernova. Dessutom kan det leda till starka asymmetrier av den stellar explosionen, under vilken den nybildade neutronstjärnan kommer att få ett stort spark och snurr ”, beskriver teammedlem Bernhard Müller de viktigaste konsekvenserna av sådana dynamiska processer i supernovakärnan.
Är vi färdiga med supernovaforskning? Förstår vi allt som finns att veta om neutronstjärnor? Inte knappast. För närvarande är forskaren redo att vidareutreda sina mätbara effekter kopplade till SASI och förfina sina förutsägelser om tillhörande signaler. I framtiden kommer de att öka sin förståelse genom att utföra fler och längre simuleringar för att avslöja hur instabilitet och neutrinouppvärmning reagerar tillsammans. Kanske en dag kommer de att kunna visa detta förhållande vara den trigger som tänder en supernovaexplosion och tänker en neutronstjärna.
Original berättelse Källa: Max Planck Institute for Astrophysics News Release.
