To je jedan od najintenzivnijih i najnasilnijih događaja u svemiru - supernova. Korištenjem sofisticiranih računalnih simulacija uspjeli su stvoriti trodimenzionalne modele koji prikazuju fizičke učinke - intenzivne i nasilne pokrete koji nastaju kada se zvjezdana materija povuče prema unutra. To je odvažan, novi pogled na dinamiku koja se događa kada zvijezda eksplodira.
Kao što znamo, zvijezdama koje imaju osam do deset puta veću masu od Sunca su dosuđene da okončaju svoj život u ogromnoj eksploziji, plinovi koji su se uvukli u svemir nevjerojatnom snagom. Ovi kataklizmični događaji spadaju u najsjajnije i najsnažnije događaje u Svemiru i mogu nadmašiti galaksiju kada se pojave. Upravo taj proces stvara elemente kritične za život kakav znamo - i za početak neutronskih zvijezda.
Neutronske zvijezde su enigma za sebe. Ti vrlo kompaktni zvjezdani ostaci sadrže čak 1,5 puta veću masu Sunca, a istovremeno su komprimirani u veličini grada. Nije spor stisak. Ova kompresija se događa kada se zvjezdana jezgra implodira iz snažne gravitacije vlastite mase ... i ona traje samo djelić sekunde. Može li nešto zaustaviti? Da. Ima granicu. Kolaps prestaje kada se premaši gustoća atomske jezgre. To je usporedivo s oko 300 milijuna tona komprimiranih u nešto veličine kocke šećera.
Proučavanje neutronskih zvijezda otvara sasvim novu dimenziju pitanja na koja znanstvenici žele odgovoriti. Žele znati što uzrokuje poremećaj zvijezda i kako se implozija zvjezdane jezgre može vratiti u eksploziju. Trenutno teoretiziraju da neutrini mogu biti kritični faktori. Te sitne elementarne čestice stvorene su i istjerane u monumentalnim brojevima tijekom procesa supernove i mogu vrlo dobro djelovati kao grijaći elementi koji zapale eksploziju. Prema istraživačkom timu, neutrini bi mogli unositi energiju u zvjezdani plin, uzrokujući to da poveća pritisak. Odatle se stvara udarni val i kako ubrzava, on bi mogao rasturiti zvijezdu i izazvati supernovu.
Koliko god to zvučalo vjerovatno, astronomi nisu sigurni može li ova teorija funkcionirati ili ne. Budući da se procesi supernove ne mogu ponovo stvoriti u laboratorijskim uvjetima i ne možemo izravno vidjeti unutrašnjost supernove, jednostavno ćemo se morati osloniti na računalne simulacije. Trenutno, istraživači mogu stvoriti događaj supernove sa složenim matematičkim jednadžbama koje kopiraju gibanje zvjezdanih plinova i fizikalna svojstva koja se događaju u kritičnom trenutku kolapsa jezgre. Ove vrste izračuna zahtijevaju upotrebu nekih od najmoćnijih superračunala na svijetu, ali je također moguće koristiti pojednostavljene modele za postizanje istih rezultata. "Ako su, na primjer, ključni učinci neutrina bili uključeni u neki detaljni tretman, računalne simulacije mogle bi se izvesti samo u dvije dimenzije, što znači da se pretpostavljalo da zvijezda u modelima ima umjetnu rotacijsku simetriju oko osi." kaže istraživački tim.
Uz potporu Rechenzentrum Garchinga (RZG), znanstvenici su uspjeli stvoriti jedinstveno učinkovit i brz računalni program. Omogućen im je pristup najmoćnijim superračunalima i računalnom nagradom od gotovo 150 milijuna radnih sati, što je najveći kontingent do sada dodijeljen od strane Europske inicijative „Partnerstvo za napredno računarstvo u Europi (PRACE)“, tim istraživača Instituta Max Planck za astrofiziku (MPA) u Garchingu mogao je po prvi put simulirati procese urušavanja zvijezda u tri dimenzije i sa sofisticiranim opisom svih relevantnih fizika.
"U tu svrhu koristili smo skoro 16.000 procesorskih jezgara u paralelnom načinu rada, ali još uvijek je jednom pokretanju modela trebalo oko 4,5 mjeseca kontinuiranog računanja", kaže doktorski studij Florian Hanke, koji je izveo simulacije. Samo su dva računarska centra u Europi bila u stanju pružiti dovoljno snažne strojeve za tako dugačka razdoblja, i to CURIE u Très Grand Centre de calcul (TGCC) du CEA u blizini Pariza i SuperMUC u Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) u Münchenu / Garchingu.
S obzirom na nekoliko tisuća milijardi bajta podataka simulacije, trebalo je neko vrijeme prije nego što su istraživači mogli u potpunosti razumjeti implikacije njihovih modela. Međutim, ono što su vidjeli oboje su bili oduševljeni i iznenadilo ih je. Zvjezdani plin djeluje na način nalik uobičajenoj konvekciji, pri čemu neutrini pokreću proces grijanja. I to nije sve ... Također su pronašli jake pokrete za prolijevanje koji se prijelazno mijenjaju u rotacijske pokrete. Ovo je ponašanje primijećeno i prije i nazvano je „Stalna akcesijska šok nestabilnost“. Prema priopćenju, "Ovaj izraz izražava činjenicu da se početna sfernost udarnog vala supernove spontano razbije, jer se šok razvija u velikoj amplitudi, pulsirajuće asimetrije oscilatornim rastom početno malih, slučajnih sjemenskih perturbacija. Do sada je to utvrđeno samo u pojednostavljenim i nepotpunim simulacijama modela. "
"Moj kolega Thierry Foglizzo na Service d'Astrophysique des CEA-Saclay u blizini Pariza dobio je detaljno razumijevanje uvjeta rasta ove nestabilnosti", objašnjava Hans-Thomas Janka, voditelj istraživačkog tima. "Konstruirao je eksperiment, u kojem hidraulički skok u kružnom vodenom toku pokazuje pulsirajuće asimetrije u bliskoj analogiji sa udarnim prednjim dijelom u jezgru supernove." Poznat kao analogija plitke vode nestabilnosti, dinamički se proces može pokazati na manje tehniziran način uklanjanjem važnih učinaka zagrijavanja neutrina - razlog zbog kojeg mnogi astrofizičari sumnjaju da bi zvijezde u padu mogle proći kroz ovu vrstu nestabilnosti. No, novi su modeli računala sposobni pokazati nestabilnu šok nestabilnosti ključni čimbenik.
"Ne samo upravlja masovnim pokretima u jezgri supernove, nego i nameće karakteristične potpise emisije neutrina i gravitacijskog vala, što će biti mjerljivo za buduću galaktičku supernovu. Štoviše, to može dovesti do jakih asimetrija zvijezdane eksplozije, tijekom kojih će novostvorena neutronska zvijezda dobiti velik udarac i okretanje “, opisuje član tima Bernhard Müller najznačajnije posljedice takvih dinamičkih procesa u jezgri supernove.
Završavamo li istraživanje supernove? Razumijemo li sve što treba znati o neutronskim zvijezdama? Nije teško. U ovom trenutku, znanstvenik je spreman za daljnja istraživanja svojih mjerljivih učinaka povezanih sa SASI i precizirati njihova predviđanja povezanih signala. Oni će u budućnosti proširiti svoje razumijevanje izvodeći sve duže i duže simulacije kako bi otkrili kako nestabilnost i neutrinsko grijanje reagiraju zajedno. Možda će jednog dana uspjeti pokazati da je taj odnos okidač koji zapali eksploziju supernove i stvara neutronsku zvijezdu.
Izvorni izvor priče: Izdanje novosti iz Instituta Maxa Plancka za astrofiziku.
