Після років цілеспрямованих досліджень і понад 5 мільйонів обчислювальних годин на суперкомп’ютері група науковців створила першу в світі тривимірну гідродинамічну модель випромінювання високої роздільної здатності для екзотичних наднових. Про цю роботу повідомив The Astrophysical Journal.
Ке-Джунґ Чен (Ke-Jung Chen) з Інституту астрономії та астрофізики Академії Синиці (Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics, ASIAA) на Тайвані очолив міжнародну групу і використав потужні суперкомп’ютери Національної лабораторії Лоуренса в Берклі та Національної астрономічної обсерваторії Японії, щоб зробити прорив.
Вибухи наднових — це найдивовижніший кінець для масивних зір, оскільки вони завершують свій життєвий цикл у саморуйнівний спосіб, миттєво вивільняючи енергію, еквівалентну енергії мільярдів сонць, освітлюючи весь Всесвіт. Також під час вибуху у міжзоряний простір потрапляють важкі елементи, утворені всередині зорі. Вони є основою для народження нових зір та планет і відіграють вирішальну роль у виникненні життя.
Наднові є базовим предметом інтересу сучасної астрофізики, бо охоплюють численні важливі астрономічні та фізичні питання як з огляду теорії, так і спостережень. Вивчення цих явищ має значну дослідницьку цінність.
Дослідження, виконані за останнє півстоліття, дали відносно повне розуміння наднових. Проте нові великомасштабні спостереження наднових виявляють багато незвичайних вибухів зір (екзотичних наднових), які кидають виклик і перевертають усталене раніше розуміння фізики наднових.
Серед екзотичних наднових найбільше збентеження викликають надяскраві наднові зорі (superluminous supernovae) та яскраві наднові, що світяться тривалий час (eternally luminous supernovae). Блиск перших наднових приблизно в 100 разів перевищує блиск звичайних наднових, які зазвичай зберігають свою яскравість лише від кількох тижнів до кількох місяців. А наднові з «вічним» світінням можуть зберігати свою яскравість протягом кількох років або навіть довше. Що ще більш дивно, кілька екзотичних наднових демонструють нерегулярні та періодичні коливання блиску, схожі на фонтанні виверження. Ці своєрідні наднові можуть містити ключ до розуміння еволюції наймасивніших зір у Всесвіті.
Походження цих екзотичних наднових досі не повністю з’ясовано, але астрономи вважають, що вони можуть виникати від дуже масивних зір. У ядрах зірок, маса яких у 80—140 разів перевищує масу Сонця, коли вони наближаються до кінця свого життя, відбуваються реакції синтезу вуглецю.
Під час цього процесу високоенергетичні фотони можуть створювати електрон-позитронні пари, що спричиняє пульсації в ядрі та призводить до кількох сильних його стиснень. Наслідком цього є вивільнення величезної кількості енергії термоядерного синтезу і вибухи, що викликають великі виверження в таких зорях. Ці виверження можуть бути схожі на звичайні спалахи наднових. Крім того, коли речовина з різних в часі вивержень стикається, то може виникати явище, схоже на надяскраву наднову.
Наразі таких масивних зір у Всесвіті відносно мало й це узгоджується з дефіцитом пекулярних наднових. Таким чином, науковці припускають, що зорі з масами від 80 до 140 разів більшими, ніж маса Сонця, з високою ймовірністю є попередником пекулярних наднових. Однак нестабільні еволюційні структури цих зірок роблять їх моделювання досить складним. Тому поточні моделі досі головно обмежені одновимірним моделюванням.
Остаточний фізичний розподіл екзотичної наднової з чотирма різними кольоровими квадратами, що представляють різні фізичні величини: I. температура, II. швидкість, III. щільність енергії випромінювання і IV. щільність газу. Біле пунктирне коло вказує на положення фотосфери наднової. На цьому зображенні вся зоря турбулентна зсередини. Місця, де відбувається зіткнення викинутої речовини, точно відповідають фотосфері, що вказує на утворення теплового випромінювання під час цих зіткнень, яке ефективно поширюється назовні та одночасно створює нерівномірну газову оболонку. Це зображення допомагає зрозуміти фізику, що лежить в основі екзотичних наднових, і дає пояснення спостережуваних явищ. Авторськіправаназображення: Ke-Jung Chen/ASIAA (Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics). Фото з сайту https://phys.org.
Однак у попередніх одновимірних моделях були виявлені серйозні недоліки. Вибухи наднових спричинюють значну турбулентність, а турбулентність відіграє вирішальну роль у вибуху та яскравості наднових. Проте, одновимірні моделі не можуть її моделювати. Це завадило теоретичному розумінню фізичних механізмів, що стоять за екзотичними надновими.
Моделювання спалахів наднових із високою роздільною здатністю було пов’язане з величезними труднощами. 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.
Ке-Джунґ Чен підкреслив, що код моделювання, який написала їхня наукова группа, має переваги перед іншими, створеними «командами-конкурентами» в Європі та Америці. Попереднє відповідне моделювання головно 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.
Гідродинамічні моделі випромінювання розглядають поширення випромінювання та його взаємодію з речовиною. Цей складний процес переносу випромінювання робить обчислення надзвичайно складними, з обчислювальними вимогами та труднощами набагато вищими, ніж моделювання рідини. Однак, завдяки багатому досвіду наукової групи в моделюванні вибухів наднових і запуску великомасштабного моделювання; їм нарешті вдалося створити першу в світі тривимірну гідродинамічну модель випромінювання екзотичних наднових.
Висновки дослідницької групи вказують на те, що явище періодичних вивержень у масивних зорях може проявляти характеристики, схожі до численних тьмяних наднових зір. Коли речовина різних періодів вивержень стикається, приблизно 20—30% кінетичної енергії газу може бути перетворено на випромінювання, що пояснює явище надяскравих наднових.
Крім того, ефект радіаційного охолодження змушує вивержений газ утворювати щільну, але нерівну тривимірну структуру в формі покривала, і ця структура стає основним джерелом випромінювання наднової. Результати моделювання ефективно пояснюють особливості даних спостережень екзотичних наднових, згаданих вище.
Завдяки передовому суперкомп’ютерному моделюванню це дослідження робить значний крок вперед у з’ясуванні фізики екзотичних наднових зір. Коли розпочнуться проєкти наступного покоління з дослідження наднових, астрономи виявлятимуть більше екзотичних наднових і будуть краще розуміти останні стадії життя звичайних масивних зір та механізми їхніх вибухів.
За інф. з сайту https://phys.org підготував Іван Крячко
