Det er en av de mest intense og voldelige av alle hendelser i verdensrommet - en supernova. Gjennom bruk av sofistikerte datasimuleringer har de vært i stand til å lage tredimensjonale modeller som viser de fysiske effektene - intense og voldelige bevegelser som oppstår når stjernemateriale trekkes innover. Det er et dristig, nytt blikk på dynamikken som skjer når en stjerne eksploderer.
Som vi vet, stjerner som har åtte til ti ganger solens masse, er bestemt til å avslutte livet i en massiv eksplosjon, og gassene blåses ut i verdensrommet med utrolig kraft. Disse kataklysmiske hendelsene er blant de lyseste og kraftigste hendelsene i universet og kan overgå en galakse når de oppstår. Det er akkurat denne prosessen som skaper livskritiske elementer slik vi kjenner den - og begynnelsen på nøytronstjerner.
Neutronstjerner er en gåte for seg selv. Disse svært kompakte stjernesterne inneholder så mye som 1,5 ganger solens masse, men er likevel komprimert til størrelsen på en by. Det er ikke en langsom klemme. Denne komprimeringen skjer når den stjernekjerne imploderer fra den intense massen av sin egen masse ... og det tar bare et brøkdel av et sekund. Kan noe stoppe det? Ja. Det har en grense. Kollaps opphører når tettheten til atomkjernene overskrides. Det er sammenlignbart med rundt 300 millioner tonn komprimert til noe på størrelse med en sukkerbit.
Å studere nøytronstjerner åpner for en helt ny dimensjon av spørsmål som forskere er opptatt av å svare på. De vil vite hva som forårsaker forstyrrelse i stjernene og hvordan kan implosjonen av den stjerne kjernen vende tilbake til en eksplosjon. For tiden teoretiserer de at nøytrinoer kan være en kritisk faktor. Disse bittesmå elementære partiklene blir skapt og utvist i monumentalt antall under supernova-prosessen og kan godt fungere som varmeelementer som tenner eksplosjonen. I følge forskerteamet kan nøytrinoer gi energi inn i stjernegassen og føre til at den bygger opp press. Derfra opprettes en sjokkbølge, og når den setter fart, kan den forstyrre stjernen og forårsake en supernova.
Så plausibel som det kan høres ut, er astronomer ikke sikre på om denne teorien kunne fungere eller ikke. Fordi prosessene til en supernova ikke kan gjenskapes under laboratorieforhold og vi ikke kan se direkte inn i det indre av en supernova, er vi bare nødt til å stole på datasimuleringer. Akkurat nå er forskere i stand til å gjenskape en supernovahendelse med komplekse matematiske ligninger som gjenskaper bevegelsene til stjernegass og de fysiske egenskapene som skjer i det kritiske øyeblikket av kjernekollaps. Disse typer beregninger krever bruk av noen av de kraftigste superdatamaskiner i verden, men det har også vært mulig å bruke mer forenklede modeller for å oppnå de samme resultatene. "Hvis for eksempel de avgjørende effektene av nøytrinoer ble inkludert i en detaljert behandling, kunne datasimuleringene bare utføres i to dimensjoner, noe som betyr at stjernen i modellene ble antatt å ha en kunstig rotasjonssymmetri rundt en akse." sier forskerteamet.
Med støtte fra Rechenzentrum Garching (RZG) kunne forskere lage i et entydig effektivt og raskt dataprogram. De fikk også tilgang til kraftigste superdatamaskiner, og en datatidstildeling på nærmere 150 millioner prosessortimer, som er den største kontingenten hittil gitt av initiativet “Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE)” fra EU, the team av forskere ved Max Planck Institute for Astrophysics (MPA) i Garching kunne nå for første gang simulere prosessene i kollapsende stjerner i tre dimensjoner og med en sofistikert beskrivelse av all relevant fysikk.
"For dette formålet brukte vi nesten 16.000 prosessorkjerner i parallell modus, men fortsatt tok en enkelt modellkjøring cirka 4,5 måneder kontinuerlig databehandling", sier doktorgradsstudent Florian Hanke, som utførte simuleringene. Bare to datasentre i Europa var i stand til å tilby tilstrekkelig kraftige maskiner i så lange perioder, nemlig CURIE ved Très Grand Centre de calcul (TGCC) du CEA nær Paris og SuperMUC ved Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) i München / Garching.
Gitt flere tusen milliarder byte med simuleringsdata, tok det litt tid før forskerne fullt ut kunne forstå implikasjonene av modellkjøringene deres. Men det de så både opphisset og overrasket dem. Stjernegassen ble utført på en måte som veldig vanlig konveksjon, med nøytrinoene som drev oppvarmingsprosessen. Og det er ikke alt… De fant også sterke skråbevegelser som forbigående endrer seg til rotasjonsbevegelser. Denne oppførselen er blitt observert før og heter Standing Accretion Shock Instability. I følge nyhetsoppslaget, “Dette uttrykket uttrykker det faktum at den opprinnelige sfærisiteten til supernovasjokkbølgen spontant blir brutt, fordi sjokket utvikler storamplitude, pulserende asymmetri ved svingende vekst av opprinnelig små tilfeldige frøforstyrrelser. Hittil hadde dette imidlertid bare blitt funnet i forenklede og ufullstendige modellsimuleringer. ”
"Min kollega Thierry Foglizzo ved Service d 'Astrophysique des CEA-Saclay i nærheten av Paris har fått en detaljert forståelse av vekstforholdene for denne ustabiliteten," forklarer Hans-Thomas Janka, leder for forskerteamet. "Han har konstruert et eksperiment, der et hydraulisk hopp i en sirkulær vannføring viser pulserende asymmetri i nær analogi med sjokkfronten i sammenbruddet i supernovakjernen." Kjent som Shallow Water Analogue of Shock Instability, kan den dynamiske prosessen demonstreres på mindre teknologiske måter ved å eliminere de viktige effektene av nøytrinooppvarming - en grunn som får mange astrofysikere til å tvile på at kollapsende stjerner kan gå gjennom denne typen ustabilitet. Imidlertid er de nye datamaskinmodellene i stand til å demonstrere Standing Accretion Shock Instability er en kritisk faktor.
“Det styrer ikke bare massebevegelsene i supernovakjernen, men det pålegger også karakteristiske signaturer på nøytrino- og gravitasjonsbølgeavgivelsen, som vil være målbar for en fremtidig galaktisk supernova. Dessuten kan det føre til sterke asymmetrier av den stellare eksplosjonen, hvor den nyopprettede nøytronstjernen vil få et stort kick and spin, ”beskriver teammedlem Bernhard Müller de viktigste konsekvensene av slike dynamiske prosesser i supernovakjernen.
Er vi ferdige med supernova-forskning? Forstår vi alt det er å vite om nøytronstjerner? Ikke knapt. For tiden er forskeren klar til å videreføre sine undersøkelser av de målbare effektene som er koblet til SASI og avgrense spådommene om tilknyttede signaler. I fremtiden vil de øke forståelsen ved å utføre flere og lengre simuleringer for å avsløre hvordan ustabilitet og nøytrinooppvarming reagerer sammen. Kanskje de en dag vil være i stand til å vise at dette forholdet er utløsningen som tenner en supernovaeksplosjon og tenker en nøytronstjerne.
Original historiekilde: Max Planck Institute for Astrophysics News Release.
