Перше у світі 3D-моделювання розкриває фізику екзотичних наднових

Вчені використали потужні суперкомп'ютери Національної лабораторії Лоуренса Берклі та Національної астрономічної обсерваторії Японії, щоб перше у світі 3D-моделювання розкриває фізику екзотичних наднових

Після багатьох років цілеспрямованих досліджень та понад 5 млн обчислювальних годин на суперкомп'ютері вчені створили перше у світі тривимірне гідродинамічне моделювання випромінювання екзотичних наднових з високою роздільною здатністю. Результати дослідження опубліковані в The Astrophysical Journal.

Наднові є ключовим інтересом у сучасній астрофізиці, охоплюючи безліч важливих астрономічних і фізичних проблем як і теорії, і у спостереженнях, і мають значну дослідницьку цінність.

Під час їхнього вибуху вони викидають у космос важкі елементи, що утворилися всередині зірки, закладаючи основу для народження нових зірок та планет і граючи вирішальну роль у зародженні життя.

Серед екзотичних наднових найбільш загадковими є надяскраві наднові і наднові, що вічно світяться. Яскравість надяскравих наднових приблизно в 100 разів перевищує яскравість звичайних наднових, які зазвичай зберігають свою яскравість від кількох тижнів до кількох місяців.

Навпаки, наднові, що вічно світяться, можуть зберігати свою яскравість протягом декількох років або навіть довше. Ще більш дивно те, що деякі екзотичні наднові демонструють нерегулярні та уривчасті зміни яскравості, що нагадують фонтанні виверження. Ці своєрідні наднові можуть містити ключ до розуміння еволюції найпотужніших зірок у Всесвіті.

Походження цих екзотичних наднових досі остаточно не вивчено, але астрономи вважають, що можуть виникати з незвичайних масивних зірок. У зірок з масою від 80 до 140 разів більше сонячної з наближенням до кінця свого життя в їх ядрах відбуваються реакції синтезу вуглецю.

В даний час такі масивні зірки у Всесвіті відносно рідкісні, що узгоджується з нестачею пекулярних наднових. Тому вчені підозрюють, що зірки з масами від 80 до 140 разів більші за сонячну, швидше за все, є прабатьками пекулярних наднових. Проте нестабільна еволюційна структура цих зірок робить їхнє моделювання дуже складним, і поточні моделі в основному обмежуються одномірним моделюванням.

Однак у попередніх одновимірних моделях виявлено серйозні недоліки. Вибухи наднових породжують значну турбулентність, а вона відіграє вирішальну роль у вибуху та яскравості наднових. Проте одномірні моделі не здатні моделювати турбулентність на основі перших принципів. Ці проблеми перешкоджали глибокому розумінню фізичних механізмів, що лежать в основі екзотичних зоряних вибухів у сучасній теоретичній астрофізиці.

Моделювання вибухів наднових з високою роздільною здатністю було величезною проблемою. У міру збільшення масштабу моделювання підтримувати високу роздільну здатність ставало все важче, що значно підвищувало складність та обчислювальні вимоги, а також вимагало врахування численних фізичних процесів.

Автори нового дослідження пояснюють, що їхня програма моделювання має переваги перед іншими конкуруючими групами в Європі та Америці. Попередні відповідні іммледування, в основному, обмежувалися одновимірними та декількома двомірними моделями рідини, тоді як в екзотичних наднових багатовимірні ефекти та випромінювання грають вирішальну роль, впливаючи на світлове випромінювання та загальну динаміку вибуху.

Моделювання радіаційної гідродинаміки враховує поширення випромінювання та його взаємодію з речовиною. Цей складний процес перенесення радіації робить розрахунки виключно складними, а обчислювальні вимоги та труднощі набагато вищі, ніж при моделюванні рідини.

Однак завдяки багатому досвіду вчених у моделюванні вибухів наднових та проведенні великомасштабних симуляцій. Їм, нарешті, вдалося створити перші у світі тривимірні симуляції радіаційної гідродинаміки екзотичних наднових.

Результати дослідників показують, що явище переривчастих вивержень у масивних зірках виявляє характеристики, аналогічні множинним більш тьмяним надновим. При зіткненні матеріалів різних періодів виверження приблизно 20-30% кінетичної енергії газу може бути перетворено на випромінювання, що і пояснює явище наднових, що світяться.

Крім того, ефект радіаційного охолодження призводить до того, що газ, що вивергається, утворює щільну, але нерівну тривимірну листову структуру, і цей шар листа стає основним джерелом світлового випромінювання наднової. Результати їх моделювання ефективно пояснюють особливості екзотичних наднових, згаданих вище.

Завдяки передовому суперкомп'ютерному моделюванню це дослідження робить значний прогрес у розумінні екзотичних фізики наднових. З початком проектів з дослідження наднових нового покоління астрономи зможуть виявити екзотичніші наднові, що ще більше сформує наше розуміння останніх стадій звичайних масивних зірок та механізмів їх вибуху.