Ядерний синтез знаходиться в центрі еволюції зірок. Більша частина життя зірки — це боротьба між гравітацією та ядерною енергією. Хоча ми розуміємо цей процес у широкому масштабі, багато деталей все ще вислизають від нас. Ми не можемо зануритися в зірку, щоб побачити її ядерну піч, тому ми покладаємося на складне комп’ютерне моделювання. Недавнє дослідження зробило великий крок вперед, змоделювавши весь цикл синтезу одного елемента.
Хоча зірки починають своє життя з переплавлення водню в гелій, на пізніх стадіях свого життя вони почнуть зливати більш важкі елементи, коли водень вичерпується. Ближче до кінця свого життя масивні зірки зливатимуть гелій з вуглецем, вуглець з неоном, неон з киснем і підійматися по періодичній системі у відчайдушній спробі запобігти гравітаційному колапсу. Хоча в різних шарах зірки можуть виникати різні ланцюги термоядерного синтезу, це складний процес, що включає турбулентні потоки, теплообмін і змішування.
Було кілька імітаційних моделей цього процесу, які спрощують речі, моделюючи один шматок зірки. Ці одновимірні симуляції є потужними, але їм бракує симуляції об’єму реальних зірок. Ця нова робота зробила тривимірне моделювання однієї ланки в термоядерному ланцюзі, зокрема, циклу горіння неону зірки з масою 20 сонячних мас.
Моделювання шару злиття неону. Авторство зображення: Rizzuti
Щоб встановити початкові умови симуляції, команда використала так звану 1D-модель, керовану 321D. По суті, вони використовували гідродинамічні рівняння для проєктування 3D-моделі в одновимірну симуляцію. Потім вони могли запустити цю симуляцію від початкового формування зірки від її початкового колапсу до моменту, коли неонове горіння починає злітати. Враховуючи це як початкову умову, вони потім зробили повну 3D-симуляцію фази горіння неону від його початку до точки виснаження неону.
Однією з речей, які вони виявили, було те, що термоядерний синтез у неоновому шарі надзвичайно ефективний. Неоновий термоядерний синтез є швидким, і без змішування він виснажить кишені внутрішньої частини зірки, створивши ядерні мертві зони. Моделювання показує, що гідродинамічного змішування достатньо для забезпечення стабільної швидкості синтезу. Ще одне відкриття полягало в тому, що розмір конвекційних зон у шарі плавлення суттєво впливає на його структуру та еволюцію. Цього не було помічено в одновимірному моделюванні та може змінити наше розуміння тривалості життя зірок великої маси.
Ця робота не охоплює загальну структуру та еволюцію інтер’єру зірки, але це важливий крок вперед. Завдяки повністю 3D-моделі одного шару синтезу дослідники можуть моделювати інші шари та, зрештою, об’єднати симуляції в узгоджену 3D-модель усього ланцюга синтезу. Це допоможе нам зрозуміти не тільки масивні зірки, але й зірки, подібні до нашого Сонця. Джерело