Ez az űrben bekövetkező összes esemény egyik legintenzívebb és hevesen működő esemény - egy szupernóva. Kifinomult számítógépes szimulációk segítségével képesek voltak olyan háromdimenziós modelleket létrehozni, amelyek megmutatják a fizikai hatásokat - intenzív és erőszakos mozgásokat, amelyek akkor fordulnak elő, amikor a csillagok befelé húzódnak. Merész, új pillantás a dinamikára, amely akkor fordul elő, amikor egy csillag felrobban.
Mint tudjuk, a csillagoknak, amelyeknek a Nap tömege nyolc-tízszeresen meghaladja az életüket egy hatalmas robbanásban, és a gázok hihetetlen erővel fújják az űrbe. Ezek a kataklizmikus események az univerzum legfényesebb és legerősebb eseményei közé tartoznak, és azok bekövetkezésekor meghaladhatják a galaxist. Éppen ez a folyamat hozza létre az élet szempontjából kritikus elemeket, amint tudjuk - és a neutroncsillagok kezdeteit.
A neutroncsillagok rejtélyek maguknak. Ezek a rendkívül kompakt csillagmaradványok a Nap tömegének 1,5-szeresét tartalmazzák, mégis összenyomják a város méretéhez. Ez nem egy lassú szorítás. Ez a tömörítés akkor fordul elő, amikor a csillagmag belemerül a saját tömegének intenzív gravitációjából… és csak egy másodperc töredéke. Tud valaki megállítani? Igen. Van egy korlátja. Az összeomlás akkor fejeződik be, ha az atommagok sűrűségét túllépik. Ez összehasonlítható körülbelül 300 millió tonnával, amelyet valamilyen cukorkocka méretűre préselnek.
A neutroncsillagok tanulmányozása egy teljesen új dimenziót nyit meg a kérdésekre, amelyekre a tudósok szívesen válaszolnak. Meg akarják tudni, mi okozza a csillagok megszakítását, és hogyan lehet a csillagmag robbantása robbanásszerűvé válni. Jelenleg elméletük szerint a neutrinók kritikus tényezõk lehetnek. Ezeket az apró elemi részecskéket a szupernóva folyamat során monumentális számban hozzák létre és távolítják el, és nagyon hevítőként működhetnek, amelyek meggyújtják a robbanást. A kutatócsoport szerint a neutrinók energiát juttathatnak a csillaggázba, ami nyomást fejthet ki. Onnan sokkhullám jön létre, és ahogy felgyorsul, megbonthatja a csillagot és szupernóvát okozhat.
Bármennyire is valószínű, hogy a csillagászok nem biztosak abban, hogy ez az elmélet működhet-e vagy sem. Mivel a szupernóva folyamatait laboratóriumi körülmények között nem lehet újra létrehozni, és nem tudjuk közvetlenül a szupernóva belsejét bejutni, csak számítógépes szimulációkra kell támaszkodnunk. Jelenleg a kutatók képesek egy szupernóva esemény visszaállítására olyan komplex matematikai egyenletekkel, amelyek megismételik a csillaggáz mozgását és a fizikai tulajdonságokat, amelyek a mag összeomlásának kritikus pillanatában fordulnak elő. Az ilyen típusú számítások megkövetelik a világ néhány legerősebb szuperszámítógépének használatát, de ugyanakkor egyszerűbb modelleket is lehetett használni ugyanazon eredmények eléréséhez. "Ha például a neutrinók kritikus hatásait belefoglalnánk egy részletekbe, a számítógépes szimulációkat csak két dimenzióban lehetett elvégezni, ami azt jelenti, hogy a modellek csillagánál feltételeztük, hogy a tengely körül mesterséges forgási szimmetria van." - mondja a kutatócsoport.
A Rechenzentrum Garching (RZG) támogatásával a tudósok egyedileg hatékony és gyors számítógépes programmal képesek voltak létrehozni. Hozzáférést kaptak a legerősebb szuperszámítógépekhez, és közel 150 millió processzorórás számítógépes idődíjat kaptak, amelyet eddig a legnagyobb kontingenssel ítéltek oda az Európai Unió „Partnerség a fejlett számítástechnika területén Európában (PRACE)” kezdeményezés, a A Max Planck asztrofizikai intézetének (MPA) kutatói csoportja Garchingban először először szimulálhatja a csillagok összeomlásának folyamatait három dimenzióban, és az összes releváns fizika kifinomult leírásával.
"Erre a célra közel 16 000 processzormagot használtunk párhuzamos módban, de egy modell futtatása körülbelül 4,5 hónap folyamatos számításokat vett igénybe" - mondta a szimulációkat végző doktori hallgató Florian Hanke. Európában csak két számítási központ volt képes biztosítani kellően nagy teljesítményű gépeket ilyen hosszú időtartamra, nevezetesen a CURIE a Párizs melletti Très Grand Centre de calcul (TGCC) du CEA-ban és a SuperMUC a müncheni Leichniz-Rechenzentrumban (LRZ).
Mivel több ezer milliárd bájtnyi szimulációs adatot vett igénybe, némi időbe telt, amíg a kutatók megértették modellek futásának következményeit. Mindazonáltal, amit láttak, mind megdöbbent, mind meglepte őket. A csillaggáz ugyanúgy valósult meg, mint a szokásos konvekció, miközben a neutrinók vezetik a melegítési folyamatot. És ez még nem minden ... Erős csúszó mozgásokat találtak, amelyek átmenetileg forgási mozgásokká válnak. Ezt a viselkedést már korábban megfigyelték, és állandó elnyomású sokk-instabilitásnak nevezték. A sajtóközlemény szerint „Ez a kifejezés azt a tényt fejezi ki, hogy a szupernóva sokkhullámának kezdeti gömbképessége spontán módon eltörik, mivel a sokk nagy amplitúdójú, aszimmetriát pulzáló hatással van az eredetileg kicsi, véletlenszerű magok perturbációinak oszcillációs növekedésére. Eddig azonban ezt csak az egyszerűsített és hiányos modellszimulációk során találták meg. ”
„Thierry Foglizzo kollégám a Párizs közelében található CEA-Saclay Szervezetnél részletes megértést kapott ennek az instabilitásnak a növekedési feltételeiről” - magyarázza Hans-Thomas Janka, a kutatócsoport vezetője. "Kísérletet készített, amelynek során egy kör alakú vízáram hidraulikus ugrása pulzációs aszimmetriát mutat a szupernóvama összeomló anyagának ütközéspontjával analóg módon." A sokk instabilitásának sekély víz analógja néven a dinamikus folyamat kevésbé technikai szempontból demonstrálható a neutrinohevítés fontos hatásainak kiküszöbölésével - ez az oka sok asztrofizikusnak abban, hogy kétségbe vonja, hogy az összeomló csillagok átmenhetnek-e az ilyen instabilitáson. Az új számítógépes modellek azonban képesek bizonyítani, hogy az állandó akrációs sokk instabilitása kritikus tényező.
„Nemcsak a szupernóva mag tömegmozgásait szabályozza, hanem jellegzetes aláírásokat is előír a neutrino- és gravitációs hullámkibocsátásra, amelyek mérhetőek lesznek a jövőbeli galaktikus szupernóva számára. Ezenkívül a csillagok robbanásának erős aszimmetriájához vezethet, amelynek során az újonnan kialakult neutroncsillag nagy rúgást és centrifugát fog kapni. ”- írja le a csapat tagja Bernhard Müller az ilyen dinamikus folyamatok legjelentősebb következményeit a szupernóva magjában.
Befejeztük a szupernóva kutatást? Megértünk mindent, amit tudni kell a neutroncsillagokról? Nem alig. Jelenleg a tudós kész arra, hogy tovább vizsgálja a SASI-hez kapcsolódó mérhető hatásokat, és finomítsa a kapcsolódó jelekre vonatkozó előrejelzéseit. A jövőben tovább és hosszabb szimulációk elvégzésével tovább fejlesztik megértésüket, hogy felfedjék, hogy az instabilitás és a neutrinohevítés hogyan reagálnak együtt. Lehet, hogy egy nap meg tudják mutatni ezt a kapcsolatot, mert az válthat ki egy szupernóva-robbanást és elképzelhet egy neutroncsillagot.
Eredeti történet forrása: Max Planck Asztrofizikai Intézet sajtóközlemény.
