Det er en af de mest intense og voldelige af alle begivenheder i rummet - en supernova. Ved hjælp af sofistikerede computersimuleringer har de været i stand til at skabe tredimensionelle modeller, der viser de fysiske effekter - intense og voldelige bevægelser, der opstår, når stjernemateriale trækkes indad. Det er et fedt, nyt look på den dynamik, der sker, når en stjerne eksploderer.
Som vi ved, er stjerner, der har otte til ti gange solens masse, bestemt til at afslutte deres liv i en massiv eksplosion, hvor gasserne sprænges ud i rummet med en utrolig kraft. Disse kataklysmiske begivenheder er blandt de lyseste og mest magtfulde begivenheder i universet og kan overskride en galakse, når de forekommer. Det er netop denne proces, der skaber livskritiske elementer, som vi kender det - og begyndelsen af neutronstjerner.
Neutronstjerner er en gåte for sig selv. Disse meget kompakte stjernesterester indeholder så meget som 1,5 gange solens masse, men alligevel er komprimeret til størrelsen af en by. Det er ikke en langsom klemme. Denne komprimering sker, når den stjernekerne imploderer fra dens egen masses intense tyngdekraft ... og det tager kun en brøkdel af et sekund. Kan noget stoppe det? Ja. Det har en grænse. Sammenbrud ophører, når massen af atomkerner overskrides. Det kan sammenlignes med omkring 300 millioner tons komprimeret til noget på størrelse med en sukkerterning.
At studere neutronstjerner åbner en helt ny dimension af spørgsmål, som forskere er ivrige efter at besvare. De vil vide, hvad der forårsager stjerneforstyrrelser, og hvordan kan implosionen af den stjernekerne vende tilbage til en eksplosion. På nuværende tidspunkt teoretiserer de, at neutrinoer kan være en kritisk faktor. Disse små elementære partikler oprettes og udvises i monumentale tal under supernova-processen og kan meget vel fungere som varmeelementer, der antænder eksplosionen. Ifølge forskerteamet kan neutrinoer give energi i stjernegassen og få den til at opbygge et pres. Derfra oprettes en chokbølge, og når den fremskyndes, kan den forstyrre stjernen og forårsage en supernova.
Så plausibel, som det måske lyder, er astronomer ikke sikre på, om denne teori kunne fungere eller ikke. Fordi processerne i en supernova ikke kan genskabes under laboratorieforhold, og vi ikke er i stand til direkte at se ind i det indre af en supernovae, er vi bare nødt til at stole på computersimuleringer. Lige nu er forskere i stand til at genskabe en supernova-begivenhed med komplekse matematiske ligninger, der gentager bevægelserne med stjernegas og de fysiske egenskaber, der sker i det kritiske øjeblik af kernekollaps. Disse typer beregninger kræver brug af nogle af de mest kraftfulde supercomputere i verden, men det har også været muligt at bruge mere forenklede modeller for at få de samme resultater. "Hvis fx de afgørende virkninger af neutrinoer blev inkluderet i en detaljeret behandling, kunne computersimuleringerne kun udføres i to dimensioner, hvilket betyder, at stjernen i modellerne antages at have en kunstig rotationssymmetri omkring en akse." siger forskerteamet.
Med støtte fra Rechenzentrum Garching (RZG) kunne forskere skabe i et entydigt effektivt og hurtigt computerprogram. De fik også adgang til mest magtfulde supercomputere og en computertidstildeling på næsten 150 millioner processor-timer, som er den største kontingent indtil videre ydet af initiativet “Partnerskab for avanceret computing i Europa (PRACE)” fra Den Europæiske Union, team af forskere ved Max Planck Institute for Astrophysics (MPA) i Garching kunne nu for første gang simulere processerne i kollapsende stjerner i tre dimensioner og med en sofistikeret beskrivelse af al relevant fysik.
”Til dette formål brugte vi næsten 16.000 processorkerner i parallel tilstand, men stadig tog et enkelt modelkørsel ca. 4,5 måneders kontinuerlig computing”, siger ph.d.-studerende Florian Hanke, der udførte simuleringerne. Kun to computercentre i Europa var i stand til at levere tilstrækkeligt kraftige maskiner i så lange perioder, nemlig CURIE ved Très Grand Centre de calcul (TGCC) du CEA nær Paris og SuperMUC i Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) i München / Garching.
I betragtning af flere tusind milliarder byte simuleringsdata tog det nogen tid, før forskerne fuldt ud kunne forstå konsekvenserne af deres modelkørsler. Men hvad de så både opstemte og overraskede dem. Den stjernegas, der udføres på en måde, der ligner almindelig konvektion, med neutrinoerne, der driver opvarmningsprocessen. Og det er ikke alt… De fandt også stærke skrå bevægelser, der kortvarigt skifter til roterende bevægelser. Denne opførsel er blevet observeret før og kaldet Standing Accretion Shock Instability. Ifølge nyhedsmeddelelsen, “Dette udtryk udtrykker det faktum, at den oprindelige sfæricitet af supernovaschockbølgen spontant brydes, fordi chokket udvikler storamplitude, pulserende asymmetrier ved den svingende vækst af oprindeligt små tilfældige frøforstyrrelser. Indtil videre var dette dog kun fundet i forenklede og ufuldstændige modellsimuleringer. ”
”Min kollega Thierry Foglizzo ved Service d’ Astrophysique des CEA-Saclay i nærheden af Paris har fået en detaljeret forståelse af vækstbetingelserne for denne ustabilitet ”, forklarer Hans-Thomas Janka, leder af forskerteamet. ”Han har konstrueret et eksperiment, hvor et hydraulisk spring i en cirkulær vandstrøm udviser pulserende asymmetrier i tæt analogi med chockfronten i det sammenbrudende stof i supernovakernen.” Kendt som Shallow Water Analog of Shock Instability kan den dynamiske proces demonstreres på mindre teknologiske måder ved at fjerne de vigtige effekter af neutrinoopvarmning - en grund, der får mange astrofysikere til at tvivle på, at kollapsende stjerner muligvis gennemgår denne type ustabilitet. Imidlertid er de nye computermodeller i stand til at demonstrere Standing Accretion Shock Instability er en kritisk faktor.
”Det styrer ikke kun massebevægelserne i supernovakernen, men det pålægger også karakteristiske underskrifter på neutrino- og gravitationsbølgeemissionen, som vil være målbar for en fremtidig galaktisk supernova. Derudover kan det føre til stærke asymmetrier af den stellare eksplosion, hvorimod den nydannede neutronstjerne får et stort kick and spin ”, beskriver teammedlem Bernhard Müller de mest betydningsfulde konsekvenser af sådanne dynamiske processer i supernovakernen.
Er vi færdige med supernova-forskning? Forstår vi alt, hvad der er at vide om neutronstjerner? Ikke næppe. På nuværende tidspunkt er videnskabsmanden klar til at videreføre deres undersøgelser af de målbare effekter forbundet med SASI og forfine deres forudsigelser om tilknyttede signaler. I fremtiden vil de styrke deres forståelse ved at udføre flere og længere simuleringer for at afsløre, hvordan ustabilitet og neutrinoopvarmning reagerer sammen. Måske en dag vil de være i stand til at vise dette forhold til at være den trigger, der antænder en supernovaeksplosion og forestiller sig en neutronstjerne.
Original historiekilde: Max Planck Institute for Astrophysics News Release.
