Forskere modellerer superluminous supernova i 2-D for første gang

Observationer af en sjælden race af superluminous supernovaer - stjerneeksplosioner, der skinner 10 til 100 gange stærkere end normalt - er forvirrende astronomer. Først set i sidste årti, videnskabsmænd er forvirrede over disse begivenheders ekstraordinære lysstyrke og deres eksplosionsmekanismer.

For bedre at forstå de fysiske forhold, der skaber superluminous supernova, astrofysikere kører todimensionelle (2D) simuleringer af disse hændelser ved hjælp af supercomputere ved Department of Energy's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) og Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) udviklet CASTRO-kode.

"Dette er første gang, nogen har simuleret superluminous supernovaer i 2D; tidligere undersøgelser har kun modelleret disse begivenheder i 1D, " siger Ken Chen, en astrofysiker ved National Astronomical Observatory of Japan. "Ved at modellere stjernen i 2D kan vi fange detaljerede oplysninger om væskeustabilitet og blanding, som du ikke får i 1D-simuleringer. Disse detaljer er vigtige for nøjagtigt at afbilde de mekanismer, der får begivenheden til at være superluminøs og forklare deres tilsvarende observationssignaturer som f.eks. som lyskurver og spektre."

Chen er hovedforfatter til en Astrofysisk Journal papir offentliggjort i december 2016. Han bemærker, at en af ​​de førende teorier inden for astronomi hævder, at superluminous supernovaer er drevet af stærkt magnetiserede neutronstjerner, kaldet magnetarer.

Hvordan en stjerne lever og dør afhænger af dens masse - jo mere massiv en stjerne, jo mere tyngdekraft det bruger. Alle stjerner begynder deres liv med at fusionere brint til helium; energien frigivet ved denne proces understøtter stjernen mod dens tyngdekrafts knusevægt. Hvis en stjerne er særlig massiv, vil den fortsætte med at smelte helium sammen til tungere grundstoffer som ilt og kulstof, og så videre, indtil dens kerne bliver til nikkel og jern. På dette tidspunkt frigiver fusion ikke længere energi, og elektrondegenerationstrykket starter og støtter stjernen mod gravitationssammenbrud. Når stjernens kerne overstiger dens Chandrasekhar-masse - cirka 1,5 solmasser - understøtter elektrondegeneration ikke længere stjernen. På dette tidspunkt, kernen kollapser, producerer neutrinoer, der sprænger stjernen i luften og skaber en supernova.

Dette jernkernekollaps sker med så ekstrem kraft, at det bryder nikkel- og jernatomer ad, efterlader en kaotisk gryderet af ladede partikler. I dette vanvittige miljø skubbes negativt ladede elektroner ind i positivt ladede protoner for at skabe neutrale neutroner. Fordi neutroner nu udgør hovedparten af ​​denne kerne, det kaldes en neutronstjerne. En magnetar er i det væsentlige en type neutronstjerne med et ekstremt kraftigt magnetfelt.

Ud over at være sindssygt tæt – en mængde materiale på størrelse med en sukkerkubestørrelse fra en neutronstjerne ville veje mere end 1 milliard tons – snurrer den også op til et par hundrede gange i sekundet. Kombinationen af ​​denne hurtige rotation, tæthed og kompliceret fysik i kernen skaber nogle ekstreme magnetfelter.

Magnetfeltet kan fjerne rotationsenergien fra en neutronstjerne og omdanne denne energi til energetisk stråling. Nogle forskere mener, at denne stråling kan drive en superluminous supernova. Det er netop de forhold, som Chen og hans kolleger forsøger at forstå med deres simuleringer.

"Ved at lave en mere realistisk 2D-simulering af superluminous supernovaer drevet af magnetarer, vi håber at få en mere kvantitativ forståelse af dets egenskaber, " siger Chen. "Indtil videre, astronomer har set mindre end 10 af disse begivenheder; efterhånden som vi finder flere, vil vi være i stand til at se, om de har ensartede egenskaber. Hvis de gør, og vi forstår hvorfor, vi vil være i stand til at bruge dem som standard stearinlys til at måle afstand i universet."

Han bemærker også, at fordi stjerner denne massive let kan dannes i det tidlige kosmos, de kunne give nogle indsigter i forholdene i det fjerne univers.

"For at udføre flerdimensionale simuleringer af superluminøse supernovaer har du brug for supercomputere (en stor mængde computerkraft) og den rigtige kode (inklusive relevant mikrofysik). Det foreslår en numerisk udfordring for sådanne simuleringer, så denne begivenhed er aldrig blevet modelleret i 2D før, " siger Chen. "Vi var de første til at gøre det, fordi vi var heldige at have adgang til NERSC-ressourcer og CASTRO-koden."