W swoim słynnym programie telewizyjnym „Cosmos” astronom Carl Sagan powiedział „Wszyscy zbudowani jesteśmy z materii gwiezdnej.”
Pod koniec swojego życia masywne gwiazdy eksplodują w spektakularny sposób, wyrzucając w przestrzeń kosmiczną swoje wnętrzności – składające się z węgla, żelaza i praktycznie wszystkich innych pierwiastków naturalnych. Te pierwiastki po jakimś czasie, w innych okolicznościach stają się budulcem nowych gwiazd, nowych układów planetarnych i wszystkiego co widzimy we Wszechświecie – łącznie z życiem na Ziemi.
Pomimo ich kluczowej roli w kosmologii, mechanizmy napędzające eksplozje supernowych wciąż nie są do końca poznane.
„Jeżeli chcemy zrozumieć chemiczną ewolucją całego Wszechświata i dowiedzieć się w jaki sposób powstała i rozprzestrzeniała się w kosmosie materia, z której jesteśmy zbudowani, musimy zrozumieć mechanizm eksplozji supernowych,” mówi Sean Couch, profesor fizyki i astronomii na Michigan State University.
Aby rzucić nowe światło na to niezwykle złożone zjawisko, Couch wykorzystuje superkomputer Mira należąc do Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) do przeprowadzenia największych i najbardziej szczegółowych trójwymiarowych symulacji supernowej powstałej wskutek kolapsu jądra.
Po milionach lat spalania coraz cięższych pierwiastków, takie super-masywne gwiazdy (o masie co najmniej 8 mas Słońca) wyczerpują swoje paliwo jądrowe i powstaje jądro z żelaza. Nie będąc w stanie odpierać w reakcjach jądrowych niesamowicie silnego przyciągania grawitacyjnego, gwiazdy zaczynają się zapadać. Jednak wciąż do końca nie znany proces sprawia, że dochodzi do odwrócenia kolapsu, eksplozji i rozerwania gwiazdy.
„Jako teoretycy staramy się zrozumieć ten moment przejścia. W jaki sposób przechodzimy z zapadającego się jądra żelaznego do eksplozji?” mówi Couch.
W ramach swoich prac w ALCF, Couch wraz ze swoim zespołem opracował i przedstawił bardzo szczegółowe symulacje 3D, które dają nam dużo lepszy wgląd w ten moment przejścia, niż poprzednie symulacje supernowych.
Choć metoda wykorzystana do stworzenia symulacji 3D jest wciąż na wczesnym etapie rozwoju, już pierwsze wyniki Coucha są obiecujące. W 2015 roku jego zespół opublikował artykuł w periodyku Astrophysical Journal Letters, w którym szczegółowo opisał swoje trójwymiarowe symulacje ostatnich trzech minut życia żelaznego jądra gwiazdy o masie 15 mas Słońca. Okazało się, że bardziej precyzyjne przedstawienie budowy i ruchu mas gwiazdy spowodowanego przez burzliwą konwekcję (na poziomie kilkuset kilometrów na sekundę) odgrywa istotną rolę w momencie kolapsu.
„Nic w tym dziwnego. Pokazujemy, że bardziej realistyczne warunki początkowe mają istotny wpływ na uzyskiwane przez nas wyniki,” mówi Couch.
Dodatkowy wymiar
Pomimo faktu, że gwiazdy rotują, posiadają pola magnetyczne i nie są idealnymi sferami, większość jedno- i dwuwymiarowych symulacji supernowych do dzisiaj uwzględniały model nierotującej, niemagnetycznej i sferycznie symetrycznej gwiazdy. Naukowcy zmuszeni byli przyjąć takie uproszczone założenia ponieważ modelowanie supernowych to zadanie wymagające wyjątkowo dużych mocy obliczeniowych. Tego typu symulacje obejmują bardzo złożone obliczenia fizyczne oraz ekstremalne skale czasowe: gwiazdy ewoluują przez miliony lat, a mimo to mechanizm eksplozji supernowej trwa zaledwie sekundę.
Według Coucha, wykorzystywanie nierealistycznych warunków początkowych prowadziło do problemów w wytwarzaniu potężnych i stałych eksplozji w symulacjach – to jedno z wyzwań astrofizyki obliczeniowej.
Niemniej jednak, dzięki postępowi w przemyśle komputerowym (zarówno w zakresie sprzętu jak i oprogramowania) Couch wraz ze współpracownikami wykonuje coraz to bardziej precyzyjne symulacje supernowych uwzględniające wszystkie trzy wymiary przestrzeni.
Chcesz współtworzyć Puls Kosmosu? Proponować tematy kolejnych artykułów? Zostań naszym patronem na Patronite.pl!
Aby zobaczyć co możesz otrzymać w zamian za wsparcie kliknij logo poniżej.
Powstanie superkomputerów takich jak Mira umożliwiło uwzględnienie w symulacjach rotacji gwiazdy, jej pól magnetycznych i innych złożonych procesów fizycznych. Wcześniej było to niemożliwe.
„Generalnie gdy przeprowadzaliśmy tego typu symulacje w przeszłości, ignorowaliśmy obecność pól magnetycznych we Wszechświecie, bowiem dodanie ich do obliczeń zwiększa złożoność problemu czynnik dwa,” mówi Couch. „Jednak dzięki naszym symulacjom przeprowadzonym za pomocą superkomputera Mira, dowiedzieliśmy się, że pole magnetyczne może dostarczyć we właściwym momencie dodatkowej energii, która prowokuje eksplozję.”
Jednak nawet na dzisiejszym etapie rozwoju technologii niemożliwe jest uwzględnienie wszystkich czynników fizycznych w jednej symulacji. Tego typu obliczenia będą możliwe dopiero w przyszłości.
„Nasze symulacje stanowią tylko pierwszy krok w stronę stworzenia naprawdę realistycznych trójwymiarowych symulacji supernowych,” mówi Couch. „Jednak już teraz wiemy, że zasadniczo ostatnie minuty ewolucji masywnej gwiazdy należy symulować w 3D.”
Źródło: Argonne National Lab