Het is een van de meest intense en gewelddadige gebeurtenissen in de ruimte: een supernova. Door het gebruik van geavanceerde computersimulaties zijn ze in staat geweest om driedimensionale modellen te maken die de fysieke effecten laten zien - intense en gewelddadige bewegingen die optreden wanneer stellaire materie naar binnen wordt getrokken. Het is een gedurfde, nieuwe kijk op de dynamiek die optreedt wanneer een ster explodeert.
Zoals we weten, zijn sterren die acht tot tien keer de massa van de zon hebben, voorbestemd om hun leven te beëindigen in een enorme explosie, waarbij de gassen met ongelooflijke kracht de ruimte in worden geblazen. Deze rampzalige gebeurtenissen behoren tot de helderste en krachtigste gebeurtenissen in het heelal en kunnen een melkwegstelsel overtreffen wanneer ze zich voordoen. Het is juist dit proces dat elementen creëert die essentieel zijn voor het leven zoals we het kennen - en het begin van neutronensterren.
Neutronensterren zijn een raadsel op zich. Deze zeer compacte stellaire overblijfselen bevatten maar liefst 1,5 keer de massa van de zon, maar zijn gecomprimeerd tot de grootte van een stad. Het is geen langzaam knijpen. Deze compressie vindt plaats wanneer de stellaire kern implodeert door de intense zwaartekracht van zijn eigen massa ... en het duurt slechts een fractie van een seconde. Kan iets het stoppen? Ja. Het heeft een limiet. Het instorten houdt op wanneer de dichtheid van de atoomkernen wordt overschreden. Dat is vergelijkbaar met ongeveer 300 miljoen ton gecomprimeerd tot iets ter grootte van een suikerklontje.
Het bestuderen van neutronensterren opent een geheel nieuwe dimensie van vragen die wetenschappers graag willen beantwoorden. Ze willen weten wat de stellaire verstoring veroorzaakt en hoe de implosie van de stellaire kern kan terugkeren naar een explosie. Momenteel theoretiseren ze dat neutrino's een kritische factor kunnen zijn. Deze minuscule elementaire deeltjes worden tijdens het supernova-proces in monumentale aantallen gecreëerd en uitgestoten en kunnen zeer goed fungeren als verwarmingselementen die de explosie doen ontbranden. Volgens het onderzoeksteam kunnen neutrino's energie aan het stellaire gas geven, waardoor het druk opbouwt. Van daaruit wordt een schokgolf gecreëerd en als deze versnelt, kan deze de ster verstoren en een supernova veroorzaken.
Hoe plausibel het ook klinkt, astronomen weten niet zeker of deze theorie zou kunnen werken of niet. Omdat de processen van een supernova niet onder laboratoriumomstandigheden kunnen worden nagebootst en we niet rechtstreeks in het interieur van een supernova kunnen kijken, hoeven we alleen maar op computersimulaties te vertrouwen. Op dit moment kunnen onderzoekers een supernova-gebeurtenis recreëren met complexe wiskundige vergelijkingen die de bewegingen van stellair gas en de fysische eigenschappen die plaatsvinden op het kritieke moment van instorting van de kern repliceren. Dit soort berekeningen vereist het gebruik van enkele van de krachtigste supercomputers ter wereld, maar het is ook mogelijk geweest om meer vereenvoudigde modellen te gebruiken om dezelfde resultaten te krijgen. "Als bijvoorbeeld de cruciale effecten van neutrino's zouden worden opgenomen in een gedetailleerde behandeling, zouden de computersimulaties slechts in twee dimensies kunnen worden uitgevoerd, wat betekent dat de ster in de modellen verondersteld werd een kunstmatige rotatiesymmetrie rond een as te hebben." zegt het onderzoeksteam.
Met de steun van het Rechenzentrum Garching (RZG) konden wetenschappers creëren in een bijzonder efficiënt en snel computerprogramma. Ze kregen ook toegang tot de krachtigste supercomputers en een computertijd van bijna 150 miljoen processoruren, wat tot dusver het grootste contingent is dat is toegekend door het "Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE)" -initiatief van de Europese Unie, de Een team van onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Astrofysica (MPA) in Garching kon nu voor het eerst de processen in samenvallende sterren simuleren in drie dimensies en met een uitgekiende beschrijving van alle relevante fysica.
“Voor dit doel gebruikten we bijna 16.000 processorcores in parallelle modus, maar toch kostte een enkele modelrun ongeveer 4,5 maanden continu computergebruik”, zegt promovendus Florian Hanke, die de simulaties uitvoerde. Slechts twee rekencentra in Europa waren in staat om voor zulke lange perioden voldoende krachtige machines te leveren, namelijk CURIE in het Très Grand Centre de calcul (TGCC) du CEA bij Parijs en SuperMUC in het Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) in München / Garching.
Gezien enkele duizenden miljard bytes aan simulatiegegevens, duurde het even voordat onderzoekers de implicaties van hun modelruns volledig begrepen. Maar wat ze zagen was zowel opgetogen als verrast. Het stellaire gas presteerde op een manier die veel lijkt op gewone convectie, waarbij de neutrino's het verwarmingsproces aansturen. En dat is niet alles ... Ze vonden ook sterke klotsende bewegingen die tijdelijk veranderen in roterende bewegingen. Dit gedrag is eerder waargenomen en heet Standing Accretion Shock Instability. Volgens het persbericht: “Deze term drukt het feit uit dat de initiële sfericiteit van de supernova-schokgolf spontaan wordt verbroken, omdat de schok pulserende asymmetrieën met een grote amplitude ontwikkelt door de oscillerende groei van aanvankelijk kleine, willekeurige zaadverstoringen. Tot dusver was dit echter alleen gevonden in vereenvoudigde en onvolledige modelsimulaties. ”
"Mijn collega Thierry Foglizzo van de Service d 'Astrophysique des CEA-Saclay bij Parijs heeft een gedetailleerd inzicht gekregen in de groeiomstandigheden van deze instabiliteit", legt Hans-Thomas Janka, het hoofd van het onderzoeksteam, uit. "Hij heeft een experiment geconstrueerd, waarbij een hydraulische sprong in een cirkelvormige waterstroom pulserende asymmetrieën vertoont, analoog aan het schokfront in de instortende materie van de supernovakern." Bekend als ondiep water-analoog van instabiliteit van schokken, kan het dynamische proces op minder technische manieren worden gedemonstreerd door de belangrijke effecten van neutrinoverwarming te elimineren - een reden die veel astrofysici ertoe doet te betwijfelen dat instortende sterren dit soort instabiliteit zouden kunnen doormaken. De nieuwe computermodellen kunnen echter aantonen dat de instabiliteit van instabiele schokken een cruciale factor is.
“Het regelt niet alleen de massabewegingen in de supernovakern, maar legt ook karakteristieke handtekeningen op aan de neutrino- en zwaartekrachtgolfemissie, die meetbaar zal zijn voor een toekomstige Galactische supernova. Bovendien kan het leiden tot sterke asymmetrieën van de stellaire explosie, waarbij de nieuw gevormde neutronenster een flinke kick en spin krijgt ”, beschrijft teamlid Bernhard Müller de belangrijkste gevolgen van dergelijke dynamische processen in de supernovakern.
Zijn we klaar met supernova-onderzoek? Begrijpen we alles wat er te weten valt over neutronensterren? Niet echt. Op dit moment zijn de wetenschappers klaar om hun onderzoek naar de meetbare effecten die verband houden met SASI voort te zetten en hun voorspellingen van bijbehorende signalen te verfijnen. In de toekomst zullen ze hun begrip vergroten door meer en langere simulaties uit te voeren om te onthullen hoe instabiliteit en neutrinoverwarming op elkaar reageren. Misschien kunnen ze op een dag laten zien dat deze relatie de trigger is die een supernova-explosie ontsteekt en een neutronenster bedenkt.
Oorspronkelijke verhaalbron: Max Planck Institute for Astrophysics News Release.
