Είναι ένα από τα πιο έντονα και βίαια όλων των γεγονότων στο διάστημα - μια σουπερνόβα. Μέσω της χρήσης εξελιγμένων προσομοιώσεων υπολογιστών, μπόρεσαν να δημιουργήσουν τρισδιάστατα μοντέλα που δείχνουν τα φυσικά αποτελέσματα - έντονες και βίαιες κινήσεις που εμφανίζονται όταν η αστρική ύλη τραβιέται προς τα μέσα. Είναι μια τολμηρή, νέα ματιά στη δυναμική που συμβαίνει όταν ένα αστέρι εκραγεί.
Όπως γνωρίζουμε, τα αστέρια που έχουν οκτώ έως δέκα φορές τη μάζα του Ήλιου προορίζονται να τερματίσουν τη ζωή τους σε μια τεράστια έκρηξη, τα αέρια διοχετεύονται στο διάστημα με απίστευτη δύναμη. Αυτά τα κατακλυσμικά γεγονότα είναι από τα πιο φωτεινά και πιο ισχυρά γεγονότα στο Σύμπαν και μπορούν να ξεπεράσουν έναν γαλαξία όταν συμβαίνουν. Αυτή ακριβώς η διαδικασία δημιουργεί στοιχεία ζωτικής σημασίας για τη ζωή όπως τη γνωρίζουμε - και τις αρχές των αστεριών νετρονίων.
Τα αστέρια νετρονίων είναι ένα αίνιγμα για τον εαυτό τους. Αυτά τα πολύ συμπαγή αστρικά υπολείμματα περιέχουν έως και 1,5 φορές τη μάζα του Ήλιου, αλλά συμπιέζονται στο μέγεθος μιας πόλης. Δεν είναι αργή συμπίεση. Αυτή η συμπίεση συμβαίνει όταν ο αστρικός πυρήνας εκραγεί από την έντονη βαρύτητα της δικής του μάζας… και παίρνει μόνο ένα κλάσμα του δευτερολέπτου. Μπορεί κάτι να το σταματήσει; Ναί. Έχει ένα όριο. Η κατάρρευση σταματά όταν ξεπεραστεί η πυκνότητα των ατομικών πυρήνων. Αυτό είναι συγκρίσιμο με περίπου 300 εκατομμύρια τόνους συμπιεσμένους σε κάτι σαν μέγεθος κύβου ζάχαρης.
Η μελέτη των αστεριών νετρονίων ανοίγει μια εντελώς νέα διάσταση ερωτήσεων τις οποίες οι επιστήμονες θέλουν να απαντήσουν. Θέλουν να μάθουν τι προκαλεί αστρική διαταραχή και πώς μπορεί η έκρηξη του αστρικού πυρήνα να μετατραπεί σε έκρηξη. Προς το παρόν, θεωρούν ότι τα νετρίνα μπορεί να είναι κρίσιμος παράγοντας. Αυτά τα μικροσκοπικά στοιχειώδη σωματίδια δημιουργούνται και αποβάλλονται σε μνημειακούς αριθμούς κατά τη διάρκεια της διαδικασίας του σουπερνόβα και μπορεί πολύ καλά να λειτουργήσουν ως θερμαντικά στοιχεία που πυροδοτούν την έκρηξη. Σύμφωνα με την ερευνητική ομάδα, τα νετρίνα θα μπορούσαν να μεταδώσουν ενέργεια στο αστρικό αέριο, προκαλώντας την αύξηση της πίεσης. Από εκεί, δημιουργείται ένα κρουστικό κύμα και καθώς επιταχύνεται, θα μπορούσε να διαταράξει το αστέρι και να προκαλέσει μια σουπερνόβα.
Όσο πιθανό να ακούγεται, οι αστρονόμοι δεν είναι σίγουροι αν αυτή η θεωρία θα μπορούσε να λειτουργήσει ή όχι. Επειδή οι διαδικασίες μιας σουπερνόβα δεν μπορούν να επαναδημιουργηθούν υπό εργαστηριακές συνθήκες και δεν μπορούμε να δούμε άμεσα το εσωτερικό των σουπερνόβα, θα πρέπει απλώς να βασιστούμε σε προσομοιώσεις υπολογιστών. Αυτήν τη στιγμή, οι ερευνητές είναι σε θέση να αναδημιουργήσουν ένα συμβάν σουπερνόβα με πολύπλοκες μαθηματικές εξισώσεις που αναπαράγουν τις κινήσεις του αστρικού αερίου και τις φυσικές ιδιότητες που συμβαίνουν την κρίσιμη στιγμή της κατάρρευσης του πυρήνα. Αυτοί οι τύποι υπολογισμών απαιτούν τη χρήση ορισμένων από τους πιο ισχυρούς υπερυπολογιστές στον κόσμο, αλλά ήταν επίσης δυνατό να χρησιμοποιήσετε πιο απλοποιημένα μοντέλα για να έχετε τα ίδια αποτελέσματα. "Εάν, για παράδειγμα, τα κρίσιμα αποτελέσματα των νετρίνων συμπεριλήφθηκαν σε κάποια λεπτομερή επεξεργασία, οι προσομοιώσεις υπολογιστών θα μπορούσαν να εκτελεστούν μόνο σε δύο διαστάσεις, πράγμα που σημαίνει ότι το αστέρι στα μοντέλα υποτίθεται ότι είχε τεχνητή περιστροφική συμμετρία γύρω από έναν άξονα." λέει η ερευνητική ομάδα.
Με την υποστήριξη του Rechenzentrum Garching (RZG), οι επιστήμονες μπόρεσαν να δημιουργήσουν σε ένα μοναδικά αποτελεσματικό και γρήγορο πρόγραμμα υπολογιστή. Τους δόθηκε επίσης πρόσβαση στους πιο ισχυρούς υπερυπολογιστές, και ένα βραβείο χρόνου υπολογιστών σχεδόν 150 εκατομμυρίων ωρών επεξεργαστή, το οποίο είναι το μεγαλύτερο ενδεχόμενο που έχει χορηγηθεί μέχρι στιγμής από την πρωτοβουλία «Συνεργασία για προηγμένους υπολογιστές στην Ευρώπη (PRACE)» της Ευρωπαϊκής Ένωσης, ομάδα ερευνητών στο Max Planck Institute for Astrophysics (MPA) στο Garching θα μπορούσε τώρα για πρώτη φορά να προσομοιώσει τις διαδικασίες σε καταρρέοντα αστέρια σε τρεις διαστάσεις και με μια εκλεπτυσμένη περιγραφή όλων των σχετικών φυσικής.
«Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήσαμε σχεδόν 16.000 πυρήνες επεξεργαστών σε παράλληλη λειτουργία, αλλά ακόμα ένα μόνο μοντέλο χρειάστηκε περίπου 4,5 μήνες συνεχούς υπολογισμού», λέει ο φοιτητής PhD, Florian Hanke, ο οποίος πραγματοποίησε τις προσομοιώσεις. Μόνο δύο υπολογιστικά κέντρα στην Ευρώπη μπόρεσαν να παρέχουν αρκετά ισχυρά μηχανήματα για τόσο μεγάλα χρονικά διαστήματα, δηλαδή το CURIE στο Très Grand Center de calcul (TGCC) du CEA κοντά στο Παρίσι και το SuperMUC στο Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) στο Μόναχο / Garching.
Δεδομένων χιλιάδων δισεκατομμυρίων byte δεδομένων προσομοίωσης, χρειάστηκε λίγος χρόνος για να κατανοήσουν πλήρως οι ερευνητές τις συνέπειες των μοντέλων τους. Ωστόσο, αυτό που είδαν τόσο ενθουσιασμένοι και τους εξέπληξαν. Το αστρικό αέριο λειτουργούσε με τρόπο που μοιάζει πολύ με τη συνηθισμένη μεταφορά, με τα νετρίνα να οδηγούν τη διαδικασία θέρμανσης. Και δεν είναι μόνο αυτό ... Βρήκαν επίσης ισχυρές κινήσεις χαλάρωσης που μεταβαίνουν παροδικά σε περιστροφικές κινήσεις. Αυτή η συμπεριφορά έχει παρατηρηθεί πριν και ονομάζεται Standing Accretion Shock Instability. Σύμφωνα με το δελτίο ειδήσεων, «Αυτός ο όρος εκφράζει το γεγονός ότι η αρχική σφαιρικότητα του κρουστικού κύματος του σουπερνόβα σπάει αυθόρμητα, επειδή το σοκ αναπτύσσει παλλόμενες ασυμμετρίες μεγάλου πλάτους από την ταλαντωτική ανάπτυξη αρχικά μικρών, τυχαίων διαταραχών σπόρων. Μέχρι στιγμής, ωστόσο, αυτό είχε βρεθεί μόνο σε απλουστευμένες και ελλιπείς προσομοιώσεις μοντέλων. "
«Ο συνάδελφός μου Thierry Foglizzo στο Service d’ Astrophysique des CEA-Saclay κοντά στο Παρίσι έχει αποκτήσει μια λεπτομερή κατανόηση των συνθηκών ανάπτυξης αυτής της αστάθειας », εξηγεί ο Hans-Thomas Janka, επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας. "Έχει κατασκευάσει ένα πείραμα, στο οποίο ένα υδραυλικό άλμα σε μια κυκλική ροή νερού εμφανίζει παλμικές ασυμμετρίες σε στενή αναλογία με το μπροστινό σοκ στο καταρρέον υλικό του πυρήνα του σουπερνόβα." Γνωστό ως αναλογικό ρηχό νερό της αστάθειας σοκ, η δυναμική διαδικασία μπορεί να αποδειχθεί με λιγότερο τεχνικούς τρόπους εξαλείφοντας τα σημαντικά αποτελέσματα της θέρμανσης των νετρίνων - ένας λόγος που κάνει πολλούς αστροφυσικούς να αμφιβάλλουν ότι τα καταρρέοντα αστέρια μπορεί να περάσουν από αυτόν τον τύπο αστάθειας. Ωστόσο, τα νέα μοντέλα υπολογιστών είναι σε θέση να αποδείξουν ότι η σταθερότητα Standing Accretion Shock είναι ένας κρίσιμος παράγοντας.
«Δεν διέπει μόνο τις μαζικές κινήσεις στον πυρήνα του σουπερνόβα, αλλά επιβάλλει επίσης χαρακτηριστικές υπογραφές στην εκπομπή νετρίνων και βαρυτικών κυμάτων, οι οποίες θα είναι μετρήσιμες για ένα μελλοντικό γαλαξιακό σουπερνόβα. Επιπλέον, μπορεί να οδηγήσει σε ισχυρές ασυμμετρίες της αστρικής έκρηξης, κατά τη διάρκεια της οποίας το νεοσυσταθέν αστέρι νετρονίων θα λάβει μεγάλο λάκτισμα και περιστροφή », περιγράφει το μέλος της ομάδας Bernhard Müller τις πιο σημαντικές συνέπειες τέτοιων δυναμικών διεργασιών στον πυρήνα του σουπερνόβα.
Τελειώσαμε με την έρευνα σουπερνόβα; Καταλαβαίνουμε όλα όσα πρέπει να γνωρίζουμε για τα αστέρια νετρονίων; Όχι δύσκολα. Προς το παρόν, ο επιστήμονας είναι έτοιμος να προωθήσει τις έρευνές του για τα μετρήσιμα αποτελέσματα που συνδέονται με το SASI και να βελτιώσει τις προβλέψεις του σχετικά με τα σχετικά σήματα. Στο μέλλον θα προωθήσουν την κατανόησή τους εκτελώντας ολοένα και μεγαλύτερες προσομοιώσεις για να αποκαλύψουν πώς αντιδρούν η αστάθεια και η θέρμανση των νετρίνων. Ίσως μια μέρα θα είναι σε θέση να δείξουν ότι αυτή η σχέση είναι η αιτία που πυροδοτεί μια έκρηξη σουπερνόβα και συλλάβει ένα αστέρι νετρονίων.
Πρωτότυπη ιστορία Πηγή: Max Planck Institute for Astrophysics News Release.
