Это одно из самых интенсивных и жестоких событий в космосе - сверхновая. Благодаря использованию сложных компьютерных симуляций, они смогли создать трехмерные модели, которые показывают физические эффекты - интенсивные и насильственные движения, которые происходят, когда звездная материя притягивается внутрь. Это смелый, новый взгляд на динамику, которая происходит, когда звезда взрывается.
Как мы знаем, звездам, которые имеют массу Солнца в восемь-десять раз, суждено покончить с собой в результате массивного взрыва, газы которого ворвались в космос с невероятной силой. Эти катастрофические события являются одними из самых ярких и мощных событий во Вселенной и могут затмить галактику, когда они происходят. Именно этот процесс создает элементы, критические для жизни в том виде, в каком мы ее знаем, - и начало нейтронных звезд.
Нейтронные звезды сами по себе являются загадкой. Эти очень компактные звездные остатки содержат в 1,5 раза больше массы Солнца, но при этом сжаты до размеров города. Это не медленное сжатие. Это сжатие происходит, когда звездное ядро взрывается из-за сильной гравитации его собственной массы ... и это занимает всего лишь долю секунды. Может ли что-нибудь остановить это? Да. У него есть предел. Коллапс прекращается при превышении плотности атомных ядер. Это сопоставимо примерно с 300 миллионами тонн, сжатыми до размеров сахара.
Изучение нейтронных звезд открывает совершенно новое измерение вопросов, на которые ученые стремятся ответить. Они хотят знать, что вызывает разрушение звезды и как взрыв звездного ядра может вернуться к взрыву. В настоящее время они предполагают, что нейтрино могут быть критическим фактором. Эти крошечные элементарные частицы создаются и выбрасываются в монументальных количествах во время процесса сверхновой и вполне могут действовать как нагревательные элементы, которые разжигают взрыв. Согласно исследовательской группе, нейтрино могут передавать энергию в звездный газ, заставляя его повышать давление. Оттуда создается ударная волна, и по мере ускорения она может разрушить звезду и вызвать сверхновую.
Как бы правдоподобно это ни звучало, астрономы не уверены, сработает ли эта теория или нет. Поскольку процессы сверхновой не могут быть воссозданы в лабораторных условиях, и мы не можем непосредственно заглянуть внутрь сверхновых, нам просто нужно полагаться на компьютерное моделирование. Прямо сейчас исследователи могут воссоздать событие сверхновой с помощью сложных математических уравнений, которые повторяют движения звездного газа и физические свойства, которые происходят в критический момент коллапса ядра. Эти типы вычислений требуют использования некоторых из самых мощных суперкомпьютеров в мире, но также было возможно использовать более упрощенные модели для получения тех же результатов. «Если, например, критические эффекты нейтрино были включены в некоторую детальную обработку, компьютерное моделирование могло быть выполнено только в двух измерениях, что означает, что звезда в моделях, как предполагалось, имела искусственную симметрию вращения вокруг оси». говорит исследовательская группа.
При поддержке Rechenzentrum Garching (RZG) ученым удалось создать исключительно эффективную и быструю компьютерную программу. Им также был предоставлен доступ к самым мощным суперкомпьютерам, а также награда за компьютерное время в размере почти 150 миллионов процессорных часов, что является самым большим условием, которое до сих пор предоставлялось инициативой Европейского союза «Партнерство для передовых вычислений в Европе (PRACE)», Команда исследователей из Института астрофизики Макса Планка (MPA) в Гархинге теперь может впервые смоделировать процессы в коллапсирующих звездах в трех измерениях и со сложным описанием всей соответствующей физики.
«Для этой цели мы использовали почти 16 000 процессорных ядер в параллельном режиме, но все же для одного запуска модели потребовалось около 4,5 месяцев непрерывных вычислений», - говорит студент PhD Флориан Ханке, который выполнил моделирование. Только два вычислительных центра в Европе смогли предоставить достаточно мощные машины для таких длительных периодов времени, а именно: CURIE в Très Grand Centre de Calcul (TGCC) du CEA под Парижем и SuperMUC в Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) в Мюнхене / Гархинге.
Учитывая несколько тысяч миллиардов байтов данных моделирования, потребовалось некоторое время, прежде чем исследователи смогли полностью понять значение их прогонов модели. Однако то, что они увидели, и обрадовало, и удивило. Звездный газ работал очень похоже на обычную конвекцию с нейтрино, управляющими процессом нагрева. И это еще не все ... Они также обнаружили сильные колебательные движения, которые переходят во вращательные движения. Такое поведение наблюдалось ранее и называлось Постоянной Аккреционной Нестабильностью Шока. Согласно пресс-релизу, «этот термин выражает тот факт, что начальная сферичность ударной волны сверхновой спонтанно нарушается, поскольку удар развивает пульсирующую асимметрию большой амплитуды из-за колебательного роста первоначально небольших случайных возмущений семян. Однако до сих пор это было обнаружено только при упрощенном и неполном моделировании моделей ».
«Мой коллега Тьерри Фоглиццо из Службы астрофизики СЕА-Сакле под Парижем получил детальное 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 в тесной аналогии с фронтом удара в коллапсирующем веществе ядра сверхновой». Известный как «Мелководный аналог шоковой нестабильности», динамический процесс может быть продемонстрирован менее технически обоснованным путем устранения важных эффектов нагрева нейтрино - причины, которая заставляет многих астрофизиков сомневаться в том, что коллапсирующие звезды могут пройти через этот тип нестабильности. Тем не менее, новые компьютерные модели могут продемонстрировать, что нестабильность постоянного аккреционного шока является критическим фактором.
«Он не только управляет массовыми движениями в ядре сверхновой, но также накладывает характерные сигнатуры на излучение нейтрино и гравитационных волн, которые будут измеримы для будущей галактической сверхновой. Более того, это может привести к сильной асимметрии звездного взрыва, в результате которого вновь образованная нейтронная звезда получит большой удар и вращение », - описывает член команды Бернхард Мюллер наиболее значимые последствия таких динамических процессов в ядре сверхновой.
Мы закончили с исследованием сверхновой? Понимаем ли мы все, что нужно знать о нейтронных звездах? Не вряд ли. В настоящее время ученые готовы продолжить свои исследования измеримых эффектов, связанных с SASI, и уточнить свои прогнозы связанных сигналов. В будущем они будут углублять свое понимание, выполняя все больше и больше моделирований, чтобы показать, как нестабильность и нагрев нейтрино взаимодействуют друг с другом. Возможно, однажды они смогут показать, что эти отношения являются спусковым механизмом, который зажигает взрыв сверхновой и создает нейтронную звезду.
Оригинальная история Источник: пресс-релиз Института астрофизики им. Макса Планка.
