Verdens første 3D-simuleringer af superluminous supernovaer

I det meste af det 20. århundrede, astronomer har gennemsøgt himlen efter supernovaer - massive stjerners eksplosive dødsfald - og deres rester på jagt efter spor om stamfaderen, de mekanismer, der fik den til at eksplodere, og de tunge elementer, der skabes i processen. Faktisk, disse begivenheder skaber de fleste af de kosmiske elementer, der fortsætter med at danne nye stjerner, galakser, og livet.

Fordi ingen faktisk kan se en supernova tæt på, forskere er afhængige af supercomputersimuleringer for at give dem indsigt i den fysik, der antænder og driver begivenheden. Nu for første gang nogensinde, et internationalt hold af astrofysikere simulerede den tredimensionelle (3-D) fysik af superluminous supernovaer - som er omkring hundrede gange mere lysende end typiske supernovaer. De opnåede denne milepæl ved at bruge Lawrence Berkeley National Laboratorys (Berkeley Labs) CASTRO-kode og supercomputere ved National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Et papir, der beskriver deres arbejde, blev offentliggjort i Astrofysisk tidsskrift .

Astronomer har fundet ud af, at disse superluminous begivenheder opstår, når en magnetar - det hurtigt roterende lig af en massiv stjerne, hvis magnetfelt er billioner af gange stærkere end Jordens - er i centrum af en ung supernova. Stråling frigivet af magnetaren er det, der forstærker supernovaens lysstyrke. Men for at forstå, hvordan dette sker, forskere har brug for multidimensionelle simuleringer.

"At lave 3D-simuleringer af magnetardrevne superluminous supernovaer, du har brug for en masse supercomputerkraft og den rigtige kode, en, der fanger den relevante mikrofysik, " sagde Ken Chen, hovedforfatter af papiret og en astrofysiker ved Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA), Taiwan.

Han tilføjer, at den numeriske simulering, der kræves for at fange væskeustabiliteten af ​​disse superluminous hændelser i 3-D, er meget kompleks og kræver en masse computerkraft, hvorfor ingen har gjort det før.

Væskeustabilitet forekommer overalt omkring os. For eksempel, hvis du har et glas vand og putter lidt farve ovenpå, vandets overfladespænding bliver ustabil, og det tungere farvestof synker til bunds. Fordi to væsker bevæger sig forbi hinanden, fysikken i denne ustabilitet kan ikke fanges i én dimension. Du har brug for en anden eller tredje dimension, vinkelret på højden for at se hele ustabiliteten. På den kosmiske skala, væskeustabiliteter, der fører til turbulens og blanding, spiller en afgørende rolle i dannelsen af ​​kosmiske objekter som galakser, stjerner, og supernovaer.

"Du skal fange fysik over en række skalaer, fra meget stor til virkelig lille, i ekstrem høj opløsning til nøjagtigt at modellere astrofysiske objekter som superluminous supernovaer. Dette udgør en teknisk udfordring for astrofysikere. Vi var i stand til at overvinde dette problem med et nyt numerisk system og adskillige millioner supercomputertimer på NERSC, " sagde Chen.

Til dette arbejde, forskerne modellerede en supernova-rest på cirka 15 milliarder kilometer bred med en tæt 10 kilometer bred magnetar indeni. I dette system, simuleringerne viser, at der dannes hydrodynamiske ustabiliteter på to skalaer i restmaterialet. Den ene ustabilitet er i den varme boble, der aktiveres af magnetaren, og den anden opstår, når den unge supernovas fremadgående stød pløjer op mod omgivende gas.

"Begge disse væskeustabiliteter forårsager mere blanding, end der normalt ville forekomme i en typisk supernovabegivenhed, hvilket har væsentlige konsekvenser for lyskurver og spektre af superluminous supernovaer. Intet af dette ville være blevet fanget i en endimensionel model, " sagde Chen.

De fandt også ud af, at magnetaren kan accelerere calcium- og siliciumelementer, der blev slynget ud fra den unge supernova til hastigheder på 12, 000 kilometer i sekundet, som tegner sig for deres udvidede emissionslinjer i spektrale observationer. Og at selv energi fra svage magnetarer kan accelerere elementer fra jerngruppen, som er placeret dybt i supernova-resten, til 5, 000 til 7, 000 kilometer i sekundet, hvilket forklarer, hvorfor jern observeres tidligt i kernekollaps-supernovabegivenheder som SN 1987A. Dette har været et mangeårigt mysterium inden for astrofysik.

"Vi var de første, der præcist modellerede et superluminous supernova-system i 3-D, fordi vi var så heldige at have adgang til NERSC supercomputere, " sagde Chen. "Denne facilitet er et ekstremt bekvemt sted at lave banebrydende videnskab."