Звезды, масса которых в восемь-десять раз превышает массу нашего Солнца, заканчивают свою жизнь гигантским взрывом, при котором звездный газ с огромной силой выбрасывается в окружающее пространство. Такие сверхновые звезды относятся к самым энергичным и ярким явлениям во Вселенной и могут затмить целую галактику на несколько недель. Они представляют собой космическое происхождение таких химических элементов, как углерод, кислород, кремний и железо, из которых состоят Земля и наши тела, которые образовались в массивных звездах за миллионы лет или только что расплавились в результате звездного взрыва.
Сверхновые также являются местом рождения нейтронных звезд, этих необычайно экзотических, компактных звездных остатков, в которых примерно в 1,5 раза больше массы нашего Солнца, сжато до сферы диаметром с Мюнхен. Это происходит за доли секунды, когда ядро звезды взрывается из-за сильной гравитации собственной массы. Катастрофический коллапс останавливается только тогда, когда плотность атомных ядер — гигантские 300 миллионов тонн в кубике сахара — будет превышена.Что же вызывает срыв звезды?
Как можно превратить сжатие ядра звезды во взрыв? Точные процессы все еще являются предметом интенсивных исследований. Согласно наиболее распространенному сценарию, нейтрино, загадочные элементарные частицы, играют решающую роль.
Эти нейтрино производятся и излучаются в огромных количествах при экстремальных температурах и плотностях в коллапсирующем ядре звезды и зарождающейся нейтронной звезде. Подобно тепловому излучению нагревателя, они нагревают газ, окружающий горячую нейтронную звезду, и таким образом могут «зажечь» взрыв.
В этом сценарии нейтрино перекачивают энергию в звездный газ и повышают давление до тех пор, пока ударная волна не разовьется, чтобы разрушить звезду в виде сверхновой. Но действительно ли эта теоретическая идея работает? Объяснение все еще загадочного механизма взрыва?К сожалению (или к счастью!) Процессы в центре взрывающихся звезд не могут быть воспроизведены в лаборатории, и многие солнечные массы непрозрачного звездного газа заслоняют наш взгляд в глубокие недра сверхновых.
Поэтому исследования сильно зависят от наиболее сложных и сложных компьютерных моделей, в которых решаются сложные математические уравнения, описывающие движение звездного газа и физические процессы, которые происходят в экстремальных условиях в коллапсирующем ядре звезды. Для этой задачи используются самые мощные из существующих суперкомпьютеров, но до недавнего времени такие расчеты удавалось проводить только с радикальными и грубыми упрощениями. Если, например, критические эффекты нейтрино были включены в какое-то подробное рассмотрение, компьютерное моделирование могло бы быть выполнено только в двух измерениях, что означает, что звезда в моделях, как предполагалось, имела искусственную симметрию вращения вокруг оси.Благодаря поддержке Rechenzentrum Garching (RZG) в разработке особенно эффективной и быстрой компьютерной программы, доступу к самым мощным суперкомпьютерам и награде за компьютерное время в размере почти 150 миллионов процессорных часов, что на сегодняшний день является самым большим контингентом, предоставленным Партнерством for Advanced Computing in Europe (PRACE) »инициативы Европейского Союза, группа исследователей из Института астрофизики Макса Планка (MPA) в Гархинге смогла впервые смоделировать процессы в коллапсирующих звездах в трех измерениях и с помощью сложной описание всей соответствующей физики.
«Для этой цели мы использовали почти 16 000 процессорных ядер в параллельном режиме, но все же прогон одной модели занимал около 4,5 месяцев непрерывных вычислений», — говорит аспирант Флориан Ханке, проводивший моделирование. Только два вычислительных центра в Европе смогли предоставить достаточно мощные машины для таких длительных периодов времени, а именно CURIE в Tres Grand Centre de Calcul (TGCC) du CEA недалеко от Парижа и SuperMUC в Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) в Мюнхене / Гархинге.
Многие терабайты данных моделирования (1 терабайт — это тысяча миллиардов байтов) должны были быть проанализированы и визуализированы, прежде чем исследователи смогли понять суть прогонов своих моделей. То, что они увидели, вызвало не только удивление, но и волнение. Звездный газ не только демонстрировал бурные пузыри и бурление с характерными восходящими грибовидными шлейфами, вызванными нагревом нейтрино, что очень похоже на то, что можно наблюдать в кипящей воде. (Этот процесс называется конвекцией.) Ученые также обнаружили мощные большие колебательные движения, которые временно переходят в быстрые и сильные вращательные движения. Такое поведение было известно раньше и получило название «нестабильность при стоячей шоковой аккреции» или SASI.
Этот термин выражает тот факт, что первоначальная сферичность ударной волны сверхновой звезды спонтанно нарушается, поскольку ударная волна развивает пульсирующие асимметрии большой амплитуды за счет колебательного роста первоначально небольших случайных затравочных возмущений. Однако до сих пор это было обнаружено только в упрощенных и неполных модельных расчетах.«Мой коллега Тьерри Фоглиццо из Астрофизической службы CEA-Saclay недалеко от Парижа получил подробное понимание условий роста этой нестабильности», — объясняет Ханс-Томас Янка, глава исследовательской группы. «Он построил эксперимент, в котором гидравлический скачок в круговом потоке воды демонстрирует пульсационную асимметрию, аналогичную фронту ударной волны в коллапсирующем веществе ядра сверхновой». Это явление получило название «SWASI» («Мелководный аналог ударной нестабильности») и позволяет продемонстрировать динамические процессы в глубоких недрах умирающей звезды с помощью относительно простой и недорогой экспериментальной установки размером со стол, конечно, без учета важные эффекты нейтринного нагрева.
По этой причине многие астрофизики скептически относились к тому, что эта нестабильность действительно возникает в коллапсирующих звездах.Теперь команда Гархинга смогла впервые недвусмысленно продемонстрировать, что SASI также играет важную роль в пока что наиболее реалистичных компьютерных моделях. «Он не только управляет массовыми движениями в ядре сверхновой, но также накладывает характерные сигнатуры на излучение нейтрино и гравитационных волн, которые можно будет измерить для будущей галактической сверхновой. Более того, это может привести к сильной асимметрии взрыва звезды , в ходе которого новообразованная нейтронная звезда получит сильный толчок и вращение », — описывает член группы Бернхард Мюллер наиболее важные последствия таких динамических процессов в ядре сверхновой.
Теперь исследователи планируют более подробно изучить измеримые эффекты, связанные с SASI, и уточнить свои прогнозы связанных сигналов. Более того, они планируют проводить все больше и больше симуляций, чтобы понять, как нестабильность действует вместе с нагревом нейтрино и повышает эффективность последнего.
Цель состоит в том, чтобы окончательно прояснить, является ли этот заговор давно разыскиваемым механизмом, который вызывает взрыв сверхновой и, таким образом, оставляет нейтронную звезду в виде компактного остатка.