Художественное представление взрыва сверхновой SN 1987A. Фото: NASA
В течение большей части 20-го века астрономы искали в небе сверхновые звезды и их остатки в поисках подсказок об их прародителях и механизмах, которые заставили их взорваться, а также тяжелых элементах, созданных в процессе. Фактически, эти события создают большую часть космических элементов, из которых потом образуются новые звезды, галактики и жизнь.
Поскольку никто не может увидеть сверхновую вблизи, исследователи полагаются на моделирование с помощью суперкомпьютера, чтобы получить представление о физике, которая управляет этими событиями. Теперь впервые в мире международная команда астрофизиков смоделировала трехмерную физику сверхсветящихся сверхновых, которые примерно в сто раз ярче, чем типичные сверхновые. Они достигли этого рубежа, используя код CASTRO и суперкомпьютеры из Национального энергетического научного вычислительного центре (NERSC). Статья с описанием их работы была опубликована в Astrophysical Journal.
Снимок космического телескопа Хаббл показывает остаток сверхновой 1987A. Перед вами яркое внутреннее кольцо, светящееся при контакте с материалом из взрыва сверхновой. В диаметре охватывает примерно 1 световой год. Неясно, что вызвало два крупных и более слабых кольца. Фото: NASA, ESA and the Hubble Heritage Team
Астрономы обнаружили, что эти сверхсветовые происходят, когда магнетар находится в центре молодой сверхновой. Излучение, испускаемое магнетаром, - это то, что усиливает яркость сверхновой. Но чтобы понять, как это происходит, исследователи нуждаются в многомерном моделировании.
«Для проведения трехмерного моделирования сверхсветящихся сверхновых вам необходима суперкомпьютерная мощность и правильный код, позволяющий получить соответствующую микрофизику», - сказал Кен Чен, ведущий автор статьи.
Нестабильность возникает повсюду вокруг нас. Например, если у вас есть стакан воды, и вы положили немного красителя сверху, поверхностное натяжение воды станет нестабильным, а более тяжелый краситель опустится на дно. Поскольку две жидкости движутся мимо друг друга, физика этой нестабильности не может быть отражена в одном измерении. Вам нужно второе или третье измерение, перпендикулярное высоте, чтобы увидеть всю нестабильность. В космическом масштабе неустойчивость жидкости, которая приводит к турбулентности и перемешиванию, играет критическую роль в формировании космических объектов, таких как галактики, звезды и сверхновые.
Этапы эволюции звезды
«Вам необходимо охватить физику в широком диапазоне масштабов, от очень больших до очень маленьких, с чрезвычайно высоким разрешением, чтобы точно моделировать астрофизические объекты, такие как сверхсветящиеся сверхновые. Это представляет собой техническую проблему для астрофизиков», - сказал Чен.
Для этой работы исследователи смоделировали остаток сверхновой примерно 15 миллиардов километров в ширину с плотным магнетаром шириной около 10 километров внутри. В этой системе моделирование показывает, что гидродинамические неустойчивости формируются в двух масштабах в остаточном материале.
Исследователи также обнаружили, что магнетар может ускорять элементы кальция и кремния, которые выбрасывались из молодой сверхновой, до скоростей 12 000 километров в секунду, что объясняет их широкие эмиссионные линии в спектральных наблюдениях. И то, что даже энергия от слабых магнетаров может ускорить элементы из группы железа, которые расположены глубоко в остатке сверхновой, до 5000-7000 километров в секунду, объясняет, почему железо наблюдается в начале событий сверхновых коллапса ядра, таких как SN 1987A. Это было давней загадкой в астрофизике.
