To je eden najintenzivnejših in najbolj nasilnih vseh dogodkov v vesolju - supernova. Z uporabo izpopolnjenih računalniških simulacij so lahko ustvarili tridimenzionalne modele, ki prikazujejo fizične učinke - intenzivne in silovite gibe, ki se pojavijo, ko se zvezdna snov potegne navznoter. To je drzen, nov pogled na dinamiko, ki se zgodi, ko zvezda eksplodira.
Kot vemo, so zvezde, ki imajo osem do desetkrat večjo maso Sonca, usojene, da bodo življenje končale v ogromni eksploziji, plini pa so se v vesolje izstrelili z neverjetno silo. Ti kataklizmični dogodki so med najsvetlejšimi in najmočnejšimi dogodki v vesolju in lahko zasenčijo galaksijo, ko se zgodijo. Prav ta proces ustvarja elemente, ki so kritični do življenja, kot ga poznamo - in začetkov nevtronskih zvezd.
Nevtronske zvezde so enigma zase. Ti zelo kompaktni zvezdni ostanki vsebujejo kar 1,5-krat večjo maso Sonca, vendar so stisnjeni na velikost mesta. Ne gre za počasen stisk. Stiskanje se zgodi, ko se zvezdno jedro vsrka zaradi velike težnosti lastne mase ... in traja le delček sekunde. Ali lahko kaj prepreči? Da. Ima mejo. Kolaps preneha, ko je gostota atomskega jedra presežena. To je primerljivo s približno 300 milijoni ton stisnjenimi v nekaj velikosti kocke sladkorja.
Študiranje nevtronskih zvezd odpira popolnoma novo dimenzijo vprašanj, na katera si znanstveniki želijo odgovoriti. Želijo vedeti, kaj povzroča motnje zvezd in kako se lahko implozija zvezdnega jedra povrne v eksplozijo. Trenutno teoretizirajo, da so nevtrini lahko kritični dejavnik. Ti drobni elementarni delci nastajajo in izpuščajo v monumentalnih številkah med procesom supernove in lahko zelo dobro delujejo kot grelni elementi, ki vnamejo eksplozijo. Po mnenju raziskovalne skupine bi nevtrini lahko oddajali energijo v zvezdni plin, zaradi česar se je povečal pritisk. Od tam nastane udarni val in ko pospešuje, bi lahko zmotil zvezdo in povzročil supernovo.
Kakor verjetno se sliši, astronomi niso prepričani, ali bi ta teorija lahko delovala ali ne. Ker procesov supernove ni mogoče ponovno ustvariti v laboratorijskih pogojih in ne moremo neposredno videti v notranjost supernove, se bomo morali zanesti na računalniške simulacije. Trenutno raziskovalci lahko poustvarijo dogodek supernove s kompleksnimi matematičnimi enačbami, ki posnemajo gibanje zvezdnega plina in fizikalne lastnosti, ki se zgodijo v kritičnem trenutku propada jedra. Za tovrstne izračune je potrebna uporaba nekaterih najmočnejših superračunalnikov na svetu, možna pa je bila tudi uporaba bolj poenostavljenih modelov za doseganje enakih rezultatov. "Če so bili na primer ključni učinki nevtrinov vključeni v kakšno podrobno obravnavo, bi računalniške simulacije lahko izvedli le v dveh dimenzijah, kar pomeni, da je zvezda v modelih imela umetno rotacijsko simetrijo okoli osi." pravi raziskovalna skupina.
Znanstveniki so s podporo Rechenzentrum Garching (RZG) lahko ustvarili v edinstveno učinkovit in hiter računalniški program. Dobili so tudi dostop do najmočnejših superračunalnikov in računalniško časovno nagrado v višini skoraj 150 milijonov procesorskih ur, kar je največji pogoj doslej, ki ga je odobrila pobuda Evropske unije za partnerstvo za napredne računalnike v Evropi (PRACE), ekipa raziskovalcev z Inštituta Maxa Plancka za astrofiziko (MPA) v Garchingu je zdaj lahko prvič simulirala procese v strmoglavljenju zvezd v treh dimenzijah in s prefinjenim opisom vseh relevantnih fizik.
"V ta namen smo uporabili skoraj 16.000 procesorskih jeder v vzporednem načinu, vendar je še vedno en sam model trajal približno 4,5 meseca neprekinjenega računanja," pravi doktorski študent Florian Hanke, ki je opravil simulacije. Le dva računalniška centra v Evropi sta bila sposobna zagotoviti tako zmogljive stroje za tako dolga obdobja, in sicer CURIE v Très Grand Center de calcul (TGCC) du CEA v bližini Pariza in SuperMUC v Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) v Münchnu / Garchingu.
Glede na nekaj tisoč milijard bajtov simulacijskih podatkov je minilo nekaj časa, preden so raziskovalci lahko v celoti razumeli posledice svojih modelov. Vendar so tisto, kar so videli, navdušili in jih presenetili. Zvezdni plin deluje na način, ki je podoben navadni konvekciji, nevtrini pa vodijo postopek segrevanja. In to še ni vse ... Odkrili so tudi močne premike, ki se prehodno spreminjajo v rotacijske gibe. To vedenje smo opažali že prej in ga poimenovali Stalna prikrajšava. V sporočilu za javnost piše: "Ta izraz izraža dejstvo, da se začetna sferičnost udarnega vala supernove spontano pokvari, ker se zaradi udarca razvijejo velike amplitude, pulzirajoče asimetrije zaradi nihajoče rasti prvotno majhnih naključnih motenj semen. Do zdaj so to ugotovili le v poenostavljenih in nepopolnih simulacijah modelov. "
"Moj kolega Thierry Foglizzo na Service d'Astrophysique des CEA-Saclay v bližini Pariza je dobil podrobno razumevanje pogojev rasti te nestabilnosti," razlaga Hans-Thomas Janka, vodja raziskovalne skupine. "Sestavil je eksperiment, v katerem hidravlični skok v krožnem vodnem toku kaže pulzacijske asimetrije v podobni analogiji s šokno fronto v propadajočem jedru supernove." Dinamičen proces, znan kot analog plitve vode nestabilnosti, se lahko pokaže na manj tehniziranih načinih z odpravljanjem pomembnih učinkov nevtrinskega segrevanja - razlog, zaradi katerega mnogi astrofiziki dvomijo, da bi se lahko zvezde, ki se rušijo, prebile tovrstno nestabilnost. Kljub temu pa novi modeli računalnikov lahko dokažejo, da je nestabilnost šoka zaradi nestabilnosti ključnega pomena.
"Ne ureja samo množičnih gibov v jedru supernove, temveč daje značilne podpise emisiji nevtrino in gravitacijsko valovanje, ki bo merljiva za prihodnjo galaktično supernovo. Poleg tega lahko povzroči močne asimetrije zvezdne eksplozije, med katerimi bo novo nastala nevtronska zvezda dobila velik udarec in zavoj, «opisuje član ekipe Bernhard Müller najpomembnejše posledice takšnih dinamičnih procesov v jedru supernove.
Ali smo končali z raziskavami supernove? Ali razumemo vse, kar je treba vedeti o nevtronskih zvezdah? Ni težko. Trenutno je znanstvenik pripravljen nadaljevati svoje raziskave merljivih učinkov, povezanih s SASI, in izpopolniti svoje napovedi povezanih signalov. V prihodnosti bodo svoje razumevanje nadaljevali z več in daljšimi simulacijami, ki bodo razkrili, kako nestabilnost in nevtrinsko segrevanje reagirata skupaj. Morda bodo nekoč lahko to razmerje pokazali kot sprožilec, ki vname eksplozijo supernove in ustvari nevtronsko zvezdo.
Izvorni vir zgodbe: Novinarska objava Inštituta Maxa Plancka za astrofiziko.
