Вчені використовували потужні суперкомп’ютери Національної лабораторії Лоуренса Берклі і Національної астрономічної обсерваторії Японії, щоб перше в світі 3D-моделювання розкрило фізику екзотичних наднових.
Після багатьох років цілеспрямованих досліджень і понад 5 млн обчислювальних годин на суперкомп’ютері вчені створили перше в світі тривимірне гідродинамічне моделювання випромінювання екзотичних наднових з високою роздільною здатністю. Результати дослідження опубліковані в The Astrophysical Journal.
Наднові є ключовий інтерес в сучасній астрофізиці, охоплюючи безліч важливих астрономічних і фізичних проблем як в теорії, так і в спостереженнях, і мають значну дослідницьку цінність.
Під час їх вибуху вони викидають в космос важкі елементи, що утворилися всередині зірки, закладаючи основу для народження нових зірок і планет і граючи вирішальну роль в зародженні життя.
Серед екзотичних наднових найбільш загадковими є надяскраві наднові і наднові, які вічно світяться. Яскравість надяскравих наднових приблизно в 100 разів перевищує яскравість звичайних наднових, які зазвичай зберігають свою яскравість від декількох тижнів до декількох місяців.
Навпаки, наднові, які вічно світяться можуть зберігати свою яскравість протягом декількох років або навіть довше. Ще більш дивно те, що деякі екзотичні наднові демонструють нерегулярні і переривчасті зміни яскравості, що нагадують фонтанні виверження. Ці своєрідні наднові можуть містити ключ до розуміння еволюції найбільш масивних зірок у Всесвіті.
Походження цих екзотичних наднових досі до кінця не вивчено, але астрономи вважають, що вони можуть виникати з незвичайних масивних зірок. У зірок з масою від 80 до 140 разів більше сонячної в міру наближення до кінця свого життя в їх ядрах відбуваються реакції синтезу вуглецю.
- Математика не підходить для опису Всесвіту?
- Станція Mars InSight зафіксувала звуки на Марсі
- Подивіться на «зіткнення» двох галактик на знімку «Хаббла»
Нині такі масивні зірки у Всесвіті відносно рідкісні, що узгоджується з нестачею пекулярних наднових. Тому вчені підозрюють, що зірки з масами від 80 до 140 разів більше сонячної, швидше за все, є прабатьками пекулярних наднових. Однак нестабільна еволюційна структура цих зірок робить їх моделювання досить складним, і поточні моделі в основному обмежуються одновимірним моделюванням.
Однак в попередніх одновимірних моделях виявлені серйозні недоліки. Вибухи наднових породжують значну турбулентність, а вона грає вирішальну роль у вибуху і яскравості наднових. Проте, одновимірні моделі не здатні моделювати турбулентність на основі перших принципів. Ці проблеми перешкоджали глибокому розумінню фізичних механізмів, що лежать в основі екзотичних зоряних вибухів, в сучасній теоретичній астрофізиці.
Моделювання вибухів наднових з високою роздільною здатністю являло собою величезну проблему. У міру збільшення масштабу моделювання підтримувати високе розрішення ставало все важче, що значно підвищувало складність і обчислювальні вимоги, а також вимагало врахування численних фізичних процесів.
Автори нового дослідження пояснюють, що їх програма моделювання має переваги перед іншими конкуруючими групами в Європі і Америці. Попередні відповідні дослідження, в основному, обмежувалися одновимірними і декількома двовимірними моделями рідини, тоді як в екзотичних наднових багатовимірні ефекти і випромінювання відіграють вирішальну роль, впливаючи на світлове випромінювання і загальну динаміку вибуху.
Моделювання радіаційної гідродинаміки враховує поширення випромінювання і його взаємодію з речовиною. Цей складний процес перенесення радіації робить розрахунки виключно складними, а обчислювальні вимоги і труднощі набагато вище, ніж при моделюванні рідини.
Однак завдяки багатому досвіду вчених в моделюванні вибухів наднових і проведенні великомасштабних симуляцій їм, нарешті, вдалося створити перші в світі тривимірні симуляції радіаційної гідродинаміки екзотичних наднових.
Остаточний фізичний розподіл екзотичної наднової з чотирма різними колірними квадрантами, що представляють різні фізичні величини: I — температура, II — швидкість, III щільність радіаційної енергії і IV — щільність газу. Біле пунктирне коло вказує положення фотосфери наднової. Судячи з цього зображення, вся зірка стає неспокійною зсередини. Позиції, в яких стикаються викинуті матеріали, точно відповідають фотосфері, що вказує на утворення теплового випромінювання під час цих зіткнень, яке ефективно поширюється назовні і одночасно створює нерівний газовий шар. Це зображення допомагає зрозуміти основну фізику екзотичних наднових і дає пояснення спостережуваним явищам. Фото: Ке-Юнг Чен / ASIAA
Результати дослідників показують, що явище переривчастих вивержень в масивних зірках проявляє характеристики, аналогічні множинним більш тьмяним надновим. При зіткненні матеріалів різних періодів виверження приблизно 20 – 30% кінетичної енергії газу може бути перетворено в випромінювання, що і пояснює явище надяскравих наднових.
Крім того, ефект радіаційного охолодження призводить до того, що газ, який викидається утворює щільну, але нерівну тривимірну листову структуру, і цей шар листа стає основним джерелом світлового випромінювання наднової. Результати їх моделювання ефективно пояснюють спостережувані особливості екзотичних наднових, згаданих вище.
Завдяки передовому суперкомп’ютерному моделюванню це дослідження робить значний прогрес в розумінні фізики екзотичних наднових. З початком проектів з дослідження наднових нового покоління астрономи зможуть виявити більш екзотичні наднові, що ще більше сформує наше розуміння останніх стадій звичайних масивних зірок і механізмів їх вибуху.