Je to jedna z nejintenzivnějších a nejnásilnějších událostí ve vesmíru - supernova. Prostřednictvím sofistikovaných počítačových simulací dokázali vytvořit trojrozměrné modely, které ukazují fyzické účinky - intenzivní a násilné pohyby, ke kterým dochází, když je dovnitř přitahována hvězdná hmota. Je to odvážný nový pohled na dynamiku, ke které dochází, když exploduje hvězda.
Jak víme, hvězdy, které mají osm až desetkrát více než Slunce, jsou určeny k tomu, aby ukončily svůj život masivní explozí, plyny foukaly do vesmíru neuvěřitelnou silou. Tyto kataklyzmatické události patří k nejjasnějším a nejsilnějším událostem ve vesmíru a mohou galaxii zastínit, když k ní dojde. Je to právě tento proces, který vytváří prvky kritické pro život, jak jej známe - a začátky neutronových hvězd.
Neutronové hvězdy jsou samy o sobě záhadou. Tyto vysoce kompaktní hvězdné zbytky obsahují až 1,5násobek hmotnosti Slunce, přesto jsou komprimovány na velikost města. Není to pomalý stisk. K této kompresi dochází, když hvězdné jádro imploduje z intenzivní gravitace vlastní hmoty… a zabere jen zlomek sekundy. Může to něco zastavit? Ano. Má limit. Kolaps přestane, když je překročena hustota atomových jader. To je srovnatelné s asi 300 miliony tun komprimovaných do něčeho podobného jako kostka cukru.
Studium neutronových hvězd otevírá zcela nový rozměr otázek, na které vědci chtějí odpovědět. Chtějí vědět, co způsobuje narušení hvězd a jak se může imploze hvězdného jádra vrátit k explozi. V současnosti se domnívají, že neutrina mohou být kritickým faktorem. Tyto drobné elementární částice jsou vytvářeny a vyhnány v monumentálních číslech během procesu supernovy a mohou velmi dobře působit jako topné prvky, které zapálí explozi. Podle výzkumného týmu by neutrinos mohl dodávat energii do hvězdného plynu, což by způsobilo nárůst tlaku. Odtud se vytvoří rázová vlna a jak se zrychluje, mohla by narušit hvězdu a způsobit supernovu.
Astronomové si nejsou jistí, zda tato teorie může fungovat, nebo ne. Protože procesy supernovy nelze v laboratorních podmínkách znovu vytvořit a nejsme schopni se přímo podívat do nitra supernov, musíme se spolehnout pouze na počítačové simulace. Právě teď jsou vědci schopni znovu vytvořit supernovu událost se složitými matematickými rovnicemi, které replikují pohyby hvězdného plynu a fyzikální vlastnosti, ke kterým dochází v kritickém okamžiku zhroucení jádra. Tyto typy výpočtů vyžadují použití některých z nejvýkonnějších superpočítačů na světě, ale pro dosažení stejných výsledků bylo také možné použít více zjednodušených modelů. "Pokud by například byly klíčové účinky neutrinos zahrnuty do podrobného ošetření, počítačové simulace mohly být provedeny pouze ve dvou rozměrech, což znamená, že u modelů v modelech se předpokládalo, že mají umělou rotační symetrii kolem osy." říká výzkumný tým.
S podporou Rechenzentrum Garching (RZG) byli vědci schopni vytvořit jedinečně efektivní a rychlý počítačový program. Rovněž jim byl poskytnut přístup k nejvýkonnějším superpočítačům a ocenění za počítačový čas ve výši téměř 150 milionů hodin procesoru, což je dosud největší kontingent udělovaný iniciativou Evropské unie „Partnerství pro pokročilé počítačové zpracování v Evropě (PRACE)“, tým vědců z Institutu Maxe Plancka pro astrofyziku (MPA) v Garchingu nyní mohl poprvé simulovat procesy v kolapsu hvězd ve třech rozměrech a sofistikovaným popisem veškeré relevantní fyziky.
"Za tímto účelem jsme použili téměř 16 000 jader procesorů v paralelním režimu, ale stále jeden modelový běh trval asi 4,5 měsíce nepřetržitého výpočtu," říká student PhD Florian Hanke, který provedl simulace. Pouze dvě výpočetní centra v Evropě byla schopna poskytovat dostatečně výkonné stroje po tak dlouhou dobu, jmenovitě CURIE v Très Grand Center de calcul (TGCC) du CEA poblíž Paříže a SuperMUC v Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) v Mnichově / Garching.
Vzhledem k několika tisíc miliard bytům simulačních dat trvalo nějakou dobu, než vědci mohli plně porozumět důsledkům jejich modelových běhů. To, co viděli, však nadchlo a překvapilo je. Hvězdný plyn se choval velmi podobně jako běžná konvekce, přičemž proces zahřívání řídily neutrina. A to není všechno ... Našli také silné šikmé pohyby, které se přechodně změní na rotační pohyby. Toto chování bylo pozorováno již dříve a je pojmenováno Nestabilita při nestálém nárůstu. Podle tiskové zprávy „Tento termín vyjadřuje skutečnost, že počáteční sféricita supernovy rázové vlny je spontánně přerušena, protože šok se vyvíjí s velkou amplitudou, pulzující asymetrie oscilačním růstem původně malých náhodných poruch semen. Dosud to však bylo nalezeno pouze ve zjednodušených a neúplných modelových simulacích. “
"Můj kolega Thierry Foglizzo ve službě d 'Astrophysique des CEA-Saclay poblíž Paříže získal podrobné porozumění růstovým podmínkám této nestability," vysvětluje Hans-Thomas Janka, vedoucí výzkumného týmu. "Postavil experiment, ve kterém hydraulický skok v kruhovém proudu vody vykazuje pulsační asymetrie v těsné analogii s přední stranou nárazu v kolabující hmotě supernovového jádra." Dynamický proces, známý pod názvem Shallow Water Analogue of Shock Nestability, lze demonstrovat méně technickými způsoby tím, že eliminuje důležité účinky zahřívání neutrinů - důvod, který způsobuje, že mnoho astrofyziků pochybuje o tom, že kolabující hvězdy mohou procházet tímto typem nestability. Nové počítačové modely jsou však schopny prokázat, že Nestabilita při nestálém nárůstu je kritickým faktorem.
"Neřídí pouze masové pohyby v jádru supernovy, ale také ukládá charakteristické podpisy pro emise neutrin a gravitačních vln, které budou měřitelné pro budoucí galaktickou supernovu." Navíc to může vést k silným asymetriím hvězdného výbuchu, během kterého nově vzniklá neutronová hvězda dostane velký kop a roztočení, “popisuje člen týmu Bernhard Müller nejvýznamnější důsledky těchto dynamických procesů v jádru supernovy.
Dokončili jsme výzkum supernovy? Rozumíme všemu, co je o neutronových hvězdách vědět? Těžko. V současné době jsou vědci připraveni dále zkoumat měřitelné účinky spojené se SASI a upřesňovat jejich předpovědi souvisejících signálů. V budoucnu budou dále chápat porozumění tím, že budou provádět více a delší simulace, aby odhalili, jak nestabilita a zahřívání neutrinů reagují společně. Možná jednoho dne dokážou ukázat, že tento vztah je spouštěčem, který podnítí výbuch supernovy a představí neutronovou hvězdu.
Původní zdroj příběhu: Max Planck Institute for Astrophysics News Release.
