Este una dintre cele mai intense și mai violente dintre toate evenimentele din spațiu - o supernovă. Prin utilizarea unor simulări sofisticate de computer, ei au reușit să creeze modele tridimensionale care arată efectele fizice - mișcări intense și violente care apar atunci când materia stelară este atrasă spre interior. Este un aspect nou și îndrăzneț în dinamica care se întâmplă când o stea explodează.
După cum știm, stelele care au de opt până la zece ori masa Soarelui sunt destinate să își încheie viața într-o explozie masivă, gazele aruncate în spațiu cu o forță incredibilă. Aceste evenimente cataclismice sunt printre cele mai strălucitoare și mai puternice evenimente din Univers și pot anticipa o galaxie atunci când apar. Tocmai acest proces creează elemente critice pentru viață așa cum o cunoaștem - și începuturile stelelor neutronice.
Stelele neutronice sunt o enigmă pentru ei înșiși. Aceste rămășițe stelare foarte compacte conțin de 1,5 ori mai mult decât masa Soarelui, dar sunt comprimate la dimensiunea unui oraș. Nu este o apăsare lentă. Această compresie se întâmplă atunci când miezul stelar implodează din gravitatea intensă a masei proprii ... și durează doar o fracție de secundă. Se poate opri ceva? Da. Are o limită. Colapsul încetează atunci când densitatea nucleelor atomice este depășită. Acest lucru este comparabil cu aproximativ 300 de milioane de tone comprimate în dimensiunea unui cub de zahăr.
Studierea stelelor cu neutroni deschide o dimensiune cu totul nouă de întrebări la care oamenii de știință sunt dornici să răspundă. Ei vor să știe ce provoacă perturbări stelare și cum poate reveni implozia miezului stelar într-o explozie. În prezent, ei spun că neutrinii pot fi un factor critic. Aceste mici particule elementare sunt create și expulzate în număr monumental în timpul procesului de supernova și pot foarte bine acționa ca elemente de încălzire care aprind explozia. Potrivit echipei de cercetare, neutrinii ar putea transmite energie în gazul stelar, ceea ce îl determină să crească presiune. De acolo, se creează un val de șoc și, pe măsură ce se accelerează, ar putea perturba steaua și provoca o supernovă.
Oricât de plauzibil ar părea, astronomii nu sunt siguri dacă această teorie ar putea funcționa sau nu. Deoarece procesele unei supernove nu pot fi recreate în condiții de laborator și nu putem vedea direct în interiorul supernovelor, va trebui doar să ne bazăm pe simulări ale computerului. În acest moment, cercetătorii sunt capabili să recreeze un eveniment de supernova cu ecuații matematice complexe care reproduc mișcările gazelor stelare și proprietățile fizice care se întâmplă în momentul critic al colapsului nucleului. Aceste tipuri de calcule necesită utilizarea unora dintre cei mai puternici supercomputere din lume, dar a fost posibilă utilizarea modelelor mai simplificate pentru a obține aceleași rezultate. „Dacă, de exemplu, efectele cruciale ale neutrinilor au fost incluse într-un anumit tratament detaliat, simulările computerului ar putea fi realizate doar în două dimensiuni, ceea ce înseamnă că steaua din modele a avut o simetrie rotativă artificială în jurul unei axe.” spune echipa de cercetare.
Cu sprijinul Rechenzentrum Garching (RZG), oamenii de știință au reușit să creeze într-un program de calculator extrem de eficient și rapid. De asemenea, li s-a oferit acces la cele mai puternice supercomputere și la un premiu de timp de calculator de aproape 150 de milioane de ore de procesare, care este cel mai mare contingent acordat până în prezent de inițiativa Uniunii Europene „Parteneriat pentru calcularea avansată în Europa (PRACE)”, o echipă de cercetători de la Max Planck Institute for Astrophysics (MPA) din Garching ar putea acum pentru prima dată simula procesele în stele care se prăbușesc în trei dimensiuni și cu o descriere sofisticată a tuturor fizicii relevante.
„În acest scop, am folosit aproape 16.000 de nuclee de procesor în mod paralel, dar un singur model de rulare a durat aproximativ 4,5 luni de calcul continuu”, spune studentul de doctorat Florian Hanke, care a efectuat simulările. Doar două centre de calcul din Europa au reușit să ofere mașini suficient de puternice pentru astfel de perioade lungi de timp, și anume CURIE la Très Grand Centre de calcul (TGCC) du CEA în apropiere de Paris și SuperMUC la Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) din Munchen / Garching.
Având în vedere câteva mii de miliarde de octeți de date de simulare, a fost nevoie de ceva timp până când cercetătorii au putut înțelege pe deplin implicațiile pe care le au modelele lor. Cu toate acestea, ceea ce au văzut amândoi încurajați și i-au surprins. Gazul stelar se comportă într-un mod asemănător convecției obișnuite, neutrinii conducând procesul de încălzire. Și asta nu este totul ... Au descoperit, de asemenea, mișcări puternice care se transformă treptat în mișcări de rotație. Acest comportament a fost observat anterior și numit Standing Accretion Shock Instability. Potrivit comunicatului, „Acest termen exprimă faptul că sfericitatea inițială a undei de șoc a supernovei este ruptă spontan, deoarece șocul dezvoltă asimetrii cu amplitudine mare, pulsând prin creșterea oscilatorie a perturbațiilor inițial mici, aleatoare. Până în prezent, acest lucru a fost găsit doar în simulări de model simplificate și incomplete. "
„Colegul meu Thierry Foglizzo de la Serviciul de Astrofizică al CEA-Saclay de lângă Paris a obținut o înțelegere detaliată a condițiilor de creștere ale acestei instabilități”, explică Hans-Thomas Janka, șeful echipei de cercetare. „El a construit un experiment, în care un salt hidraulic într-un flux de apă circular prezintă asimetrii pulsationale în analogie strânsă cu fața de șoc în materia care se prăbușește a nucleului supernovei." Cunoscut sub denumirea de Shallow Water Analogue of Shock Instability, procesul dinamic poate fi demonstrat în maniere mai puțin tehnicizate prin eliminarea efectelor importante ale încălzirii neutrinilor - motiv care face ca mulți astrofizici să se îndoiască că stelele care se prăbușesc ar putea trece prin acest tip de instabilitate. Cu toate acestea, noile modele de calculatoare sunt capabile să demonstreze că un factor critic este imposibil de stabilitatea șocurilor.
„Nu guvernează doar mișcările de masă din nucleul supernovei, dar impune semnături caracteristice emisiilor de neutrino și undă gravitațională, care vor fi măsurabile pentru o viitoare supernovă galactică. Mai mult decât atât, poate duce la asimetrii puternice ale exploziei stelare, în cursul căreia noua stea neutronă va primi o lovitură mare și un spin ”, descrie membrul echipei, Bernhard Müller, cele mai semnificative consecințe ale unor astfel de procese dinamice în nucleul supernovei.
Am terminat cu cercetarea cu supernovele? Înțelegem tot ce trebuie să știm despre stelele cu neutroni? Nu cu greu. În prezent, oamenii de știință sunt pregătiți să își continue investigațiile cu privire la efectele măsurabile legate de SASI și să-și perfecționeze predicțiile de semnale asociate. În viitor, vor înțelege mai departe, realizând simulări din ce în ce mai lungi, pentru a dezvălui cum reacționează împreună instabilitatea și încălzirea neutrinilor. Poate într-o zi vor putea să arate că această relație este declanșatorul care aprinde o explozie de supernova și concepe o stea cu neutroni.
Sursa povești originale: Comunicat de presă al Institutului Max Planck pentru Astrofizică.
