Je to jedna z najintenzívnejších a najsilnejších zo všetkých udalostí vo vesmíre - supernova. Pomocou sofistikovaných počítačových simulácií dokázali vytvoriť trojrozmerné modely, ktoré ukazujú fyzikálne účinky - intenzívne a násilné pohyby, ktoré sa vyskytujú pri vtiahnutí hviezdnej hmoty dovnútra. Je to odvážny nový pohľad na dynamiku, ktorá nastáva, keď hviezda exploduje.
Ako vieme, hviezdy, ktoré majú osem až desaťnásobok hmotnosti Slnka, sú určené na to, aby ukončili svoj život veľkým výbuchom, plyny fúkajú do vesmíru neuveriteľnou silou. Tieto kataklyzmatické udalosti patria medzi najjasnejšie a najmocnejšie udalosti vo vesmíre a môžu v prípade, že sa vyskytnú, zatieniť galaxiu. Je to práve tento proces, ktorý vytvára prvky kritické pre život, ako ho poznáme - a začiatky neutrónových hviezd.
Neutrónové hviezdy sú pre seba záhadou. Tieto vysoko kompaktné hviezdne zvyšky obsahujú až 1,5-násobok hmotnosti Slnka, ale sú komprimované na veľkosť mesta. Nie je to pomalé stlačenie. K tejto kompresii dochádza, keď hviezdne jadro imploduje z intenzívnej gravitácie vlastnej hmoty ... a trvá iba zlomok sekundy. Môže to niečo zastaviť? Áno. Má limit. Kolaps prestane, keď je prekročená hustota atómových jadier. To je porovnateľné s približne 300 miliónmi ton stlačených do niečoho ako kocka cukru.
Štúdium neutrónových hviezd otvára úplne nový rozmer otázok, na ktoré by vedci chceli odpovedať. Chcú vedieť, čo spôsobuje narušenie hviezd a ako sa môže prepuknutie hviezdneho jadra vrátiť k výbuchu. V súčasnosti sa domnievajú, že neutrína môžu byť kritickým faktorom. Tieto drobné elementárne častice sa počas procesu supernovy vytvárajú a vylučujú v monumentálnych číslach a môžu veľmi dobre pôsobiť ako vykurovacie prvky, ktoré zapália explóziu. Podľa výskumného tímu mohli neutrína dodávať energiu do hviezdneho plynu, čo spôsobilo, že sa zvyšoval tlak. Odtiaľ sa vytvorí rázová vlna a keď sa zrýchli, mohla by narušiť hviezdu a spôsobiť supernovu.
Astronómovia si nie sú istí, či táto teória môže fungovať alebo nie. Pretože procesy supernovy nemôžu byť obnovené v laboratórnych podmienkach a nemôžeme sa priamo pozrieť do vnútra supernov, musíme sa spoľahnúť iba na počítačové simulácie. V súčasnosti sú vedci schopní znovu vytvoriť supernovu udalosť so zložitými matematickými rovnicami, ktoré replikujú pohyby hviezdneho plynu a fyzikálne vlastnosti, ku ktorým dochádza v kritickom okamihu zrútenia jadra. Tieto typy výpočtov vyžadujú použitie niektorých z najvýkonnejších superpočítačov na svete, ale na dosiahnutie rovnakých výsledkov je možné použiť aj zjednodušené modely. „Keby sa napríklad do niektorých podrobných úprav zahrnuli zásadné účinky neutrín, počítačové simulácie sa mohli vykonať iba v dvoch rozmeroch, čo znamená, že hviezda v modeloch mala umelú rotačnú symetriu okolo osi.“ hovorí výskumný tím.
S podporou Rechenzentrum Garching (RZG) sa vedci dokázali vytvoriť v jedinečne účinnom a rýchlom počítačovom programe. Dostali tiež prístup k najmocnejším superpočítačom a ocenenie za počítačový čas takmer 150 miliónov hodín procesora, čo je doteraz najväčší kontingent udelený iniciatívou Európskej únie „Partnerstvo pre pokročilé počítačové výpočty v Európe (PRACE)“, Tím vedcov z Inštitútu Maxa Plancka pre astrofyziku (MPA) v Garchingu mohol teraz po prvýkrát simulovať procesy v kolabujúcich hviezdach v troch rozmeroch as prepracovaným popisom všetkej relevantnej fyziky.
„Na tento účel sme použili takmer 16 000 jadier procesorov v paralelnom režime, ale stále jeden modelový chod trval asi 4,5 mesiaca nepretržitého výpočtu,“ hovorí študent PhD Florian Hanke, ktorý vykonal simulácie. Iba dve počítačové centrá v Európe boli schopné poskytnúť dostatočne výkonné stroje na tak dlhé časové obdobia, a to CURIE v Très Grand Centre de Calcul (TGCC) du CEA pri Paríži a SuperMUC v Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) v Mníchove / Garching.
Vzhľadom na niekoľko tisíc miliárd bajtov simulačných údajov trvalo nejaký čas, kým vedci dokázali plne porozumieť dôsledkom ich modelových cyklov. To, čo videli, ich však nadchlo a prekvapilo. Hviezdny plyn sa uskutočňoval veľmi podobne ako bežná konvekcia, pričom neutrína viedla proces zahrievania. A to nie je všetko ... Našli tiež silné šikmé pohyby, ktoré sa prechodne menia na rotačné pohyby. Toto správanie bolo pozorované už skôr a je pomenované Nestabilita nárazu pri stúpaní. Podľa tlačovej správy „Tento termín vyjadruje skutočnosť, že počiatočná sféricita šokovej vlny supernovy je spontánne prerušená, pretože šok sa vyvíja s veľkou amplitúdou, pulzujúcou asymetriou oscilačným rastom spočiatku malých náhodných porúch osiva. Doteraz to však bolo zistené iba v zjednodušených a neúplných modelových simuláciách. “
„Môj kolega Thierry Foglizzo v službe Astrophysique des CEA-Saclay neďaleko Paríža získal podrobné pochopenie podmienok rastu tejto nestability,“ vysvetľuje Hans-Thomas Janka, vedúci výskumného tímu. "Postavil experiment, v ktorom hydraulický skok v kruhovom prúde vody vykazuje pulzačnú asymetriu v tesnej analógii s prednou časťou nárazu v kolapse hmoty jadra supernovy." Dynamický proces, ktorý je známy ako plytká voda, analógia šokovej nestability, sa dá demonštrovať menej technickými spôsobmi odstránením dôležitých účinkov zahrievania neutrínmi - dôvodom, ktorý spôsobuje mnohým astrofyzikom pochybnosti o tom, že zrútené hviezdy môžu prejsť týmto typom nestability. Nové počítačové modely sú však schopné preukázať, že nestabilita nárazu pri stúpaní je kritickým faktorom.
„Neupravuje iba masové pohyby v jadre supernovy, ale ukladá aj charakteristické podpisy na emisie neutrínových a gravitačných vĺn, ktoré budú merateľné pre budúcu galaktickú supernovu. Okrem toho to môže viesť k silným asymetriám hviezdneho výbuchu, počas ktorého novo vytvorená neutrónová hviezda dostane veľký kop a roztočenie, “opisuje člen tímu Bernhard Müller najvýznamnejšie dôsledky takýchto dynamických procesov v jadre supernovy.
Skončili sme s výskumom supernovy? Rozumieme všetkému, čo viem o neutrónových hviezdach? Nie ťažko. V súčasnosti sú vedci pripravení ďalej skúmať merateľné účinky spojené so SASI a vylepšovať svoje predpovede súvisiacich signálov. V budúcnosti budú ďalej rozvíjať svoje porozumenie vykonávaním stále väčších simulácií, aby odhalili vzájomnú reakciu nestability a zahrievania neutrín. Možno jedného dňa dokážu ukázať, že tento vzťah je spúšťou, ktorá vznieti výbuch supernovy a predstaví neutrónovú hviezdu.
Pôvodný zdroj článku: Inštitút Maxa Plancka pre vydanie astrofyziky.
