Хотя интенсивные магнитные поля уже давно считаются причиной появления самых мощных сверхновых, астрофизики создали компьютерную модель магнитного поля, демонстрирующую, что происходит внутри умирающей звезды, перед тем, как она превратится в космического монстра.
Когда массивные звезды умирают, они взрываются. Но иногда, такие звезды взрываются очень сильно, и производят один из самых мощных взрывов в наблюдаемой Вселенной.
Когда массивная звезда исчерпывает свой запас водородного топлива, сильная гравитация внутри ядра вызывает постепенное слияние ее более массивных элементов. В космическом масштабе этот процесс происходит быстро. Но как только происходит слияние с железом, процесс резко останавливается. Термоядерная реакция в ядре прекращается, а сила гравитации стремится полностью его уничтожить.
В течение всего одной секунды, ядро звезды резко сжимается, и уменьшается в диаметре с 1 000 до 10 миль, что приводит к появлению поистине исполинских ударных волн, которые, в итоге, разрывают звезду на части. Вкратце, происходит следующее: звезда исчерпывает запас топлива, сжатие, ударные волны, массивный взрыв. Все, что от нее остается - быстро расширяющееся облако раскаленного газа и крошечная нейтронная звезда, быстро вращающаяся на том месте, где раньше находилось ядро.
Эта модель понятна и хорошо подходит для объяснения того, как умирают массивные звезды. Но иногда, в самых дальних уголках Вселенной, астрономы замечают взрывы звезд, мощность которых значительно превышает ту, которую можно объяснить традиционными моделями сверхновых. Такие взрывы называют гамма-всплесками, и считается, что их появление вызвано особой породой сверхновой звезды - ГИПЕРновой.
Помимо того, что гиперновая носит имя злодея из фильма по мотивам комиксов Marvel, она также является воплощением магнитной интенсивности. Коллапс ядра массивной звезды приводит не только к быстрому увеличению его плотности. Звезда продолжает вращаться, и, подобно фигуристке, которая прижимает к себе руки во время вращения на месте, сжимающееся ядро коллапсирующей звезды начинает быстро «раскручиваться». Наряду с вращением, турбулентные течения в выбросах перегретой плазмы и магнитное поле звезды становятся чрезвычайно сконцентрированными.
До настоящего времени, эффекты, вызванные коллапсом ядра сверхновых, считались достаточно хорошо изученными - в теории, но подтвержденной данными наблюдений за сверхновыми. А вот механизм гиперновых (и гамма-всплесков) до этого времени был изучен не полностью.
При помощи моделирования на одном из самых мощных суперкомпьютеров на планете, международная команда исследователей создала модель ядра гиперновой во время коллапса, через долю секунды после взрыва. И то, что они обнаружили, может помочь разгадать тайну гамма-всплесков.
Считается, что большая энергия гамма-всплесков вызвана чем-то, что происходит в ядре массивной звезды во время ее коллапса и превращения в сверхновую. Чем-то, что выбрасывает материю и энергию в противоположных направлениях, формируя две высококонцентрированных (или коллимированных) струи, извергающихся из магнитных полюсов сверхновой. Эти струи настолько интенсивны, что если одну из них направить на Землю, то излучение, исходящее от нее, создаст впечатление, что оно вызвано гораздо более сильным взрывом, чем взрыв обычной сверхновой.
«Мы пытались найти базовый механизм, основной инструмент, и выяснить, почему коллапс звезды может привести к формированию таких струй», - рассказал специалист по теории вычислений Эрик Шнеттер из Института теоретической физики в Ватерлоо, штат Онтарио, который разработал модель для создания симулятора ядра умирающих звезд.
Чтобы понять, почему эти струи настолько мощные, представьте себе палку динамита, которую положили на землю и сверху поместили пушечное ядро. Когда динамит взорвется, раздастся громкий хлопок, и, возможно, от него останется небольшая дымящаяся воронка. Но пушечное ядро вряд ли далеко улетит. Скорее всего, немного подпрыгнет вверх и скатится в воронку. Но если тот же динамит поместить в металлическую трубу, закрыть один конец, а в открытый закатить пушечное ядро – во время взрыва вся энергия будет сосредоточена в открытом конце трубы, и ядро улетит на сотни метров.
По аналогии с динамитом, большинство энергии гиперновой сосредоточено в двух струях, которые находятся внутри магнитных «трубок». Поэтому, когда мы видим струю, направленную на нас, она, кажется во много раз ярче (и мощнее), чем была бы яркость ее составляющих, в случае выброса сверхновой своей энергии во все стороны. Это и есть гамма-всплеск.
Однако сам процесс формирования таких струй был практически непонятен. Но моделирование на суперкомпьютере Blue Waters, расположенном в Национальном центре суперкомпьютерных приложений на базе Иллинойского университета в Урбане-Шампейне, которое заняло 2 недели, выявило крайне сильное динамо, приводимое в движение турбулентностью, являющееся, возможно, причиной всего этого.
«При помощи динамо, небольшие магнитные структуры попадают внутрь массивной звезды и превращаются во все более и более крупные магнитные структуры, необходимые для формирования гиперновой и длинных гамма-всплесков», - пояснил постдокторант Филипп Моста из Калифорнийского университета в Беркели, первый автор исследования, опубликованного в журнале Nature. – «Это и запускает весь процесс».
«Долгое время считалось, что такое возможно. А теперь мы это еще и показали».
Воссоздавая мелкомасштабную структуру ядра умирающей звезды во время коллапса, исследователи показали – впервые - что механизм, называемый «магнитная вращательная нестабильность», может вызывать сильные магнитные условия внутри ядра гиперновой, которые способствуют формированию мощных струй.
Различные слои звезды, как известно, вращаются с разной скоростью. Даже наше Солнце имеет дифференциальное вращение. Когда происходит коллапс ядра массивной звезды, дифференциальное вращение вызывает сильную нестабильность, создавая турбулентность, превращающую магнитные поля в трубки с мощным магнитным потоком. Такое быстрое выравнивание по одной линии ускоряет звездную плазму, которая, в свою очередь, увеличивает вращение магнитного поля в квадриллионы (это 1 с 15 нулями) раз. Этот замкнутый круг приводит к быстрому высвобождению материала из магнитных полюсов, и запускает механизм гиперновой и гамма-всплеск.
По словам Моста, эта ситуация похожа на то, как в атмосфере Земли образовываются мощные ураганы. Небольшие турбулентные потоки сливаются в один крупный циклон. Поэтому гиперновая может считаться «идеальным штормом», в котором небольшая турбулентность в коллапсирующем ядре создает мощные магнитные поля, вызывающие, в свою очередь, при подходящих условиях, формирование интенсивных струй материи.
«Мы сделали первое масштабное моделирование этого процесса в очень высоком разрешении, которое демонстрирует формирование большого глобального поля из исключительно турбулентного», - сказал Моста. – «Моделирование также демонстрирует механизм формирования магнетаров и нейтронных звезд с очень сильным магнитным полем, которые могут стать причиной появления особого класса очень ярких сверхновых».
Хотя изучать самые мощные взрывы во Вселенной интересно само по себе, это исследование также может помочь понять, как формировались некоторые из самых тяжелых элементов нашей Вселенной.