Международная команда астрономов воспользовалась мощными суперкомпьютерами Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в США и Национальной астрономической обсерватории в Японии. После многих лет кропотливых исследований и более пяти миллионов вычислительных часов на суперкомпьютере они наконец создали первую в мире трехмерную радиационную гидродинамическую модель причудливой сверхновой с высоким разрешением. Открытие будет опубликовано в последнем выпуске The Astrophysical Journal.
Трехмерное моделирование экзотических сверхновых показывает турбулентные структуры, возникающие во время выброса материала при взрыве. Эти турбулентные структуры затем влияют на общую яркость сверхновой и структуру взрыва. Турбулентность играет решающую роль во время взрывов сверхновых и вызвана нерегулярными движениями жидкости, что приводит к сложной динамике. Эти турбулентные структуры перемешивают и искажают материю, влияя на выделение и передачу энергии, тем самым влияя на яркость и внешний вид сверхновой. Благодаря трехмерному моделированию ученые получают более глубокое понимание физических процессов взрывов странных сверхновых и могут объяснить наблюдаемые явления и характеристики этих необычных сверхновых. Источник: Ке-Юнгчен/ASIAA.
Взрывы сверхновых — самые зрелищные финалы существования массивных звезд. Они заканчивают свой жизненный цикл самоуничтожением, мгновенно высвобождая яркость, эквивалентную миллиардам солнц, освещая всю вселенную. Во время взрыва выбрасываются также тяжелые элементы, образовавшиеся внутри звезды, закладывая основу для рождения новых звезд и планет и играя важнейшую роль в зарождении жизни. Таким образом, сверхновые стали одной из передовых тем современной астрофизики, охватывающей многие важные астрономические и физические проблемы теории и наблюдений, и имеют важную исследовательскую ценность.
За последние полвека исследования дали нам относительно полное понимание сверхновых. Однако последние крупномасштабные наблюдения за сверхновыми начинают выявлять множество необычных звездных взрывов (причудливых сверхновых), которые бросают вызов и переворачивают ранее устоявшиеся представления о физике сверхновых.
Тайна странной сверхновой
Среди странных сверхновых наиболее загадочными являются сверхяркие сверхновые и вечно светящиеся сверхновые. Сверхяркие сверхновые примерно в 100 раз ярче обычных сверхновых, тогда как яркость обычных сверхновых обычно сохраняется от нескольких недель до 2-3 месяцев. Напротив, недавно обнаруженные вечно светящиеся сверхновые могут сохранять свою яркость в течение нескольких лет и более.
Еще более удивительным является то, что некоторые странные сверхновые демонстрируют нерегулярные и прерывистые изменения яркости, извергаясь подобно фонтанам. Эти странные сверхновые могут содержать ключ к пониманию эволюции самых массивных звезд во Вселенной.
На этом снимке показано окончательное физическое распределение странных сверхновых. Четыре квадранта разного цвета представляют разные физические величины: I. Температура; II. Скорость; III. Плотность энергии излучения; IV. Плотность газа. Белый пунктирный круг указывает расположение фотосферы сверхновой. Как вы можете видеть на этом изображении, вся звезда становится турбулентной изнутри. Места столкновений выброшенного материала точно соответствовали положениям фотосфер, что позволяет предположить, что во время этих столкновений возникало тепловое излучение, которое эффективно распространялось наружу, создавая при этом неоднородный слой газа. Это изображение помогает нам понять основы физики странных сверхновых и дает объяснение наблюдаемым явлениям. Источник: Ке-Юнгчен/ASIAA.
Происхождение и эволюционная структура
Происхождение этих причудливых сверхновых до конца не понятно, но астрономы полагают, что они могут возникать из необычайно массивных звезд. У звезд с массой от 80 до 140 раз больше солнечной, реакции синтеза углерода происходят в их ядрах, когда они приближаются к концу своей жизни. При этом фотоны высокой энергии создают электрон-позитронные пары, вызывая пульсации в ядре, вызывающие несколько сильных сокращений.
Эти сокращения высвобождают большое количество термоядерной энергии и вызывают взрывы, приводящие к массивным взрывам звезд. Сами всплески могут напоминать обычные взрывы сверхновых. Кроме того, при столкновении материи на разных стадиях взрыва может возникнуть явление, подобное сверхсветовой сверхновой.
В настоящее время такие массивные звезды во Вселенной относительно редки, что согласуется с нехваткой экзотических сверхновых. Поэтому ученые подозревают, что звезды с массами от 80 до 140 раз больше солнечной, скорее всего, являются предками странных сверхновых. Однако нестабильная развивающаяся структура этих звезд делает их моделирование весьма сложным, и текущие модели в основном ограничиваются одномерным моделированием.
Ограничения предыдущих моделей
Однако предыдущие одномерные модели имеют и серьезные недостатки. Взрывы сверхновых создают сильную турбулентность, а турбулентность играет решающую роль во взрыве и яркости сверхновых. Однако одномерные модели не могут моделировать турбулентность на основе первых принципов. Эти проблемы делают глубокое понимание физических механизмов странных сверхновых все еще серьезной проблемой современной теоретической астрофизики.
Скачок в возможностях моделирования
Моделирование взрывов сверхновых с высоким разрешением представляет собой серьезную проблему. По мере увеличения масштаба моделирования поддержание высокого разрешения становится все труднее, что значительно увеличивает сложность и вычислительные требования, а также требует учета большого количества физических процессов. Чэнь Кэчжэн подчеркнул, что код моделирования их команды имеет преимущества по сравнению с другими конкурирующими группами в Европе и США.
Предыдущие соответствующие моделирования в основном ограничивались одномерными и несколькими двумерными моделями жидкости, тогда как в экзотических сверхновых многомерные эффекты и излучение играют решающую роль, влияя на оптическое излучение и общую динамику взрыва.
Возможности моделирования радиационной гидродинамики
Моделирование радиационной гидродинамики учитывает распространение излучения и его взаимодействие с веществом. Этот сложный процесс переноса излучения делает расчеты чрезвычайно сложными, а его вычислительные требования и сложность намного выше, чем при моделировании жидкости. Однако благодаря обширному опыту команды в моделировании взрывов сверхновых и крупномасштабных симуляциях им, наконец, удалось создать первую в мире трехмерную радиационную гидродинамическую симуляцию причудливой сверхновой.
Результаты исследования и последствия
Результаты команды показывают, что периодические взрывы массивных звезд могут иметь характеристики, аналогичные множеству более слабых сверхновых. Когда материалы разных стадий взрыва сталкиваются, около 20–30% кинетической энергии газа может быть преобразовано в излучение, что и является причиной явления сверхсветовой сверхновой.
Кроме того, эффект радиационного охлаждения приводит к тому, что выбрасываемый газ образует плотную, но неровную трехмерную листовую структуру. Эта листовая структура становится основным источником светового излучения сверхновой. Результаты их моделирования эффективно объясняют наблюдаемые характеристики вышеупомянутых странных сверхновых.
Используя передовые суперкомпьютерные модели, исследование обеспечивает значительный прогресс в понимании физики причудливых сверхновых. С запуском Обзора сверхновых нового поколения астрономы смогут обнаружить более экзотические сверхновые, что еще больше углубит наше понимание последних стадий обычно массивных звезд и механизмов их взрыва.