Перше у світі 3D-моделювання розкриває фізику екзотичних наднових

Після років цілеспрямованих досліджень і понад 5 мільйонів обчислювальних годин на суперкомп’ютері команда створила першу у світі тривимірну радіаційну гідродинаміку високої роздільної здатності для екзотичних наднових. Про цю роботу повідомляє The Astrophysical Journal.

Ке-Джунг Чен з Інституту астрономії та астрофізики Academia Sinica (ASIAA) на Тайвані очолив міжнародну групу та використав потужні суперкомп’ютери Національної лабораторії Лоуренса Берклі та Національної астрономічної обсерваторії Японії, щоб зробити прорив. Вибухи наднових — це найдивовижніший кінець для масивних зірок, оскільки вони завершують свій життєвий цикл у саморуйнівний спосіб, миттєво вивільняючи яскравість, еквівалентну мільярдам сонць, освітлюючи весь Всесвіт.

Під час цього вибуху також викидаються важкі елементи, утворені всередині зірки, закладаючи основу для народження нових зірок і планет і відіграючи вирішальну роль у виникненні життя. Наднові є ключовим предметом інтересу сучасної астрофізики, охоплюючи численні важливі астрономічні та фізичні питання як у теорії, так і в спостереженні, маючи значну дослідницьку цінність.

За останні півстоліття дослідження дали відносно повне розуміння наднових. Проте останні великомасштабні спостереження наднових виявляють багато незвичайних зіркових вибухів (екзотичних наднових), які кидають виклик і перевертають усталене раніше розуміння фізики наднових.

Серед екзотичних наднових найбільше збентеження викликають наднові зірки, що світяться, і вічно сяючі наднові. Яскравість наднових приблизно в 100 разів перевищує яскравість звичайних наднових, які зазвичай зберігають свою яскравість лише від кількох тижнів до кількох місяців.

Навпаки, вічно сяючі наднові можуть зберігати свою яскравість протягом кількох років або навіть довше. Що ще більш дивно, кілька екзотичних наднових демонструють нерегулярні та періодичні коливання яскравості, схожі на фонтанні виверження. Ці своєрідні наднові можуть містити ключ до розуміння еволюції наймасивніших зірок у Всесвіті.

Походження цих екзотичних наднових досі не повністю з’ясовано, але астрономи вважають, що вони можуть виникати від незвичайних масивних зірок. У зірок, маса яких у 80-140 разів перевищує масу Сонця, коли вони наближаються до кінця свого життя, їх ядра піддаються реакціям вуглецевого синтезу.

Під час цього процесу високоенергетичні фотони можуть створювати електрон-позитронні пари, викликаючи пульсації в ядрі та призводячи до кількох сильних скорочень. Ці скорочення вивільняють величезну кількість енергії термоядерного синтезу та викликають вибухи, що призводять до великих вивержень у зірках. Самі ці виверження можуть бути схожі на звичайні спалахи наднових. Крім того, коли матеріали з різних періодів виверження стикаються, можна створити явища, схожі на наднові зірки наднових.

Наразі таких масивних зірок у Всесвіті відносно рідко, що узгоджується з дефіцитом пекулярних наднових. Таким чином, вчені підозрюють, що зірки з масами від 80 до 140 разів більшими, ніж Сонце, з високою ймовірністю є прародителями пекулярних наднових. Однак нестабільні еволюційні структури цих зірок роблять їх моделювання досить складним, і поточні моделі в основному залишаються обмеженими одновимірним моделюванням.

Однак у попередніх одновимірних моделях були виявлені серйозні недоліки. Вибухи наднових спричинюють значну турбулентність, а турбулентність відіграє вирішальну роль у вибуху та яскравості наднових. З усім тим, одновимірні моделі не можуть моделювати турбулентність з перших принципів. Ці виклики завадили глибокому розумінню фізичних механізмів, що стоять за екзотичними надновими, у сучасній теоретичній астрофізиці.

Ця симуляція вибухів наднових із високою роздільною здатністю створила величезні труднощі. Зі збільшенням масштабу моделювання підтримувати високу роздільну здатність ставало дедалі складніше, що значно підвищувало складність і вимоги до обчислень, а також вимагало врахування численних фізичних процесів.

Ke-Jung Chen підкреслив, що симуляційний код їх команди має переваги перед іншими конкуруючими групами в Європі та Америці. Попереднє відповідне моделювання в основному обмежувалося одновимірними та кількома двовимірними рідинними моделями, тоді як в екзотичних наднових багатовимірні ефекти та випромінювання відіграють вирішальну роль, впливаючи на випромінювання світла та загальну динаміку вибуху.

Гідродинамічне моделювання випромінювання розглядає поширення випромінювання та його взаємодію з речовиною. Цей складний процес перенесення випромінювання робить обчислення надзвичайно складними, з обчислювальними вимогами та труднощами набагато вищими, ніж моделювання рідини.

Однак, завдяки багатому досвіду команди в моделюванні вибухів наднових і запуску великомасштабного моделювання; їм нарешті вдалося створити першу в світі тривимірну радіаційну гідродинамічну симуляцію екзотичних наднових.

Висновки дослідницької групи вказують на те, що явище періодичних вивержень у масивних зірках може демонструвати характеристики, подібні до численних тьмяних наднових зірок. Коли матеріали різних періодів виверження стикаються, приблизно 20–30% кінетичної енергії газу може бути перетворено на випромінювання, що пояснює феномен надсвітних наднових.

Крім того, ефект радіаційного охолодження змушує вивержений газ утворювати щільну, але нерівну тривимірну структуру листа, і цей шар листа стає основним джерелом випромінювання світла в надновій. Результати їх моделювання ефективно пояснюють особливості спостереження екзотичних наднових, згаданих вище.

Завдяки передовому суперкомп’ютерному моделюванню це дослідження робить значний крок вперед у з’ясуванні фізики екзотичних наднових зірок. З початком проектів дослідження наднових наступного покоління астрономи виявлятимуть більше екзотичних наднових, ще більше формуючи наше розуміння останніх стадій звичайних масивних зірок і механізмів їх вибуху.