Poland

Znaleziono sekretny składnik zasilający supernowe - pomogły superkomputery

W 1987 roku gigantyczna gwiazda eksplodowała tuż obok naszej galaktyki Drogi Mlecznej. Była to najjaśniejsza i najbliższa supernowa od czasu wynalezienia teleskopu jakieś cztery wieki wcześniej i prawie każde obserwatorium zwróciło się w jej kierunku. Być może najbardziej ekscytujące jest to, że wyspecjalizowane obserwatoria zakopane głęboko pod ziemią wychwyciły wypływające z wybuchu nieśmiałe cząstki subatomowe zwane neutrinami.

Cząstki te po raz pierwszy zaproponowano jako siłę napędową supernowych w 1966 roku, co sprawiło, że ich wykrycie było źródłem pocieszenia dla teoretyków, którzy próbowali zrozumieć wewnętrzne działanie eksplozji. Jednak przez dziesięciolecia astrofizycy nieustannie wpadali na coś, co wydawało się fatalną wadą ich modeli napędzanych neutrinami.


Neutrina są znanymi cząstkami na uboczu i pozostaje pytanie, jak dokładnie neutrina przekazują swoją energię do zwykłej materii gwiazdy w ekstremalnych warunkach zapadającej się gwiazdy. Ilekroć teoretycy próbowali zamodelować te zawiłe ruchy cząstek i interakcje w symulacjach komputerowych, fala uderzeniowa supernowej zatrzymywała się i opadała z powrotem na siebie. Te niepowodzenia „utrwaliły ideę, że nasza wiodąca teoria dotycząca eksplozji supernowych może nie działa” - powiedział Sean Couch, astrofizyk obliczeniowy z Michigan State University.

Oczywiście szczegóły tego, co dzieje się w głębi supernowej, gdy eksploduje, zawsze były tajemnicze. To kocioł skrajności, burzliwa zupa transmutującej materii, w której krytyczne stają się cząsteczki i siły często ignorowane w naszym codziennym świecie. Co więcej, wybuchowe wnętrze jest w dużej mierze niewidoczne, spowite chmurami gorącego gazu. Zrozumienie szczegółów supernowych „było głównym nierozwiązanym problemem w astrofizyce” - powiedział Adam Burrows, astrofizyk z Uniwersytetu Princeton, który badał supernowe od ponad 35 lat.

Jednak w ostatnich latach teoretycy byli w stanie znaleźć zaskakująco złożone mechanizmy, które powodują, że supernowe działają. Symulacje, które eksplodują, stały się raczej normą niż wyjątkiem, napisał w tym miesiącu Burrows w Nature. Kody komputerowe rywalizujących grup badawczych zgadzają się teraz co do ewolucji fal uderzeniowych supernowych, podczas gdy symulacje posunęły się tak daleko, że uwzględniono nawet skutki notorycznie zawiłej ogólnej teorii względności Einsteina. Wreszcie zostaje zrozumiana rola neutrin.


„To przełomowy moment” - powiedział Couch. Odkryli, że bez turbulencji zapadające się gwiazdy mogą w ogóle nigdy nie tworzyć supernowych.

Przez większą część życia gwiazdy przyciąganie grawitacji do wewnątrz jest delikatnie równoważone przez wypychanie na zewnątrz promieniowania z reakcji jądrowych wewnątrz rdzenia gwiazdy. Gdy gwiazdce kończy się paliwo, grawitacja przejmuje kontrolę. Jądro zapada się samoistnie - spada z prędkością 150 000 kilometrów na godzinę - powodując wzrost temperatury do 100 miliardów stopni Celsjusza i stopienie jądra w solidną kulę neutronów.


Zewnętrzne warstwy gwiazdy nadal opadają do wewnątrz, ale uderzając w ten nieściśliwy rdzeń neutronowy, odbijają się od niego, tworząc falę uderzeniową. Aby fala uderzeniowa przekształciła się w eksplozję, musi zostać wypchnięta na zewnątrz z wystarczającą energią, aby uciec przed przyciąganiem grawitacji gwiazdy. Fala uderzeniowa musi także walczyć z wewnętrzną spiralą najbardziej zewnętrznych warstw gwiazdy, które wciąż opadają na rdzeń.

Do niedawna siły napędzające falę uderzeniową rozumiano tylko w najbardziej niejasny sposób. Przez dziesięciolecia komputery były wystarczająco mocne na tyle, aby obsługiwać uproszczone modele rozpadającego się rdzenia. Gwiazdy traktowano jako doskonałe kule, z falą uderzeniową emanującą z centrum w ten sam sposób we wszystkich kierunkach. Ale gdy fala uderzeniowa przemieszcza się na zewnątrz w tych jednowymiarowych modelach, zwalnia, a następnie słabnie.


Dopiero w ciągu ostatnich kilku lat, wraz z rozwojem superkomputerów, teoretycy dysponowali wystarczającą mocą obliczeniową, aby modelować masywne gwiazdy o złożoności potrzebnej do wywoływania eksplozji. Najlepsze modele zawierają teraz szczegóły, takie jak interakcje na poziomie mikro między neutrinami a materią, nieuporządkowane ruchy płynów i ostatnie postępy w wielu różnych dziedzinach fizyki - od fizyki jądrowej po ewolucję gwiazd. Ponadto teoretycy mogą teraz przeprowadzać wiele symulacji każdego roku, co pozwala im dowolnie modyfikować modele i wypróbowywać różne warunki początkowe.
Punkt zwrotny nastąpił w 2015 roku, kiedy Couch i jego współpracownicy uruchomili trójwymiarowy model komputerowy ostatnich minut zapadnięcia się masywnej gwiazdy. Chociaż symulacja odwzorowała tylko 160 sekund życia gwiazdy, ukazała rolę niedocenionego gracza, który pomaga unieruchomionym falom uderzeniowym zamienić się w pełnoprawne eksplozje.
Ukryte w brzuchu bestii cząsteczki wiją się i obracają chaotycznie. „To jak gotowanie wody na Twoim piecu. Wewnątrz gwiazdy dochodzi do masowych przewrotów płynu z szybkością tysięcy kilometrów na sekundę ”- powiedział Couch.
Ta turbulencja tworzy dodatkowe ciśnienie za falą uderzeniową, wypychając ją dalej od centrum gwiazdy. Z dala od środka siła grawitacji do wewnątrz jest słabsza i jest mniej materii opadającej do wewnątrz, która łagodzi falę uderzeniową. Burzliwa materia odbijająca się za falą uderzeniową ma również więcej czasu na wchłonięcie neutrin. Energia z neutrin podgrzewa materię i powoduje eksplozję fali uderzeniowej.

Przez lata badacze nie zdawali sobie sprawy ze znaczenia turbulencji, ponieważ ujawnia ona swój pełny wpływ dopiero w symulacjach prowadzonych w trzech wymiarach. „To, co natura robi bez wysiłku, zajęło nam dziesięciolecia, kiedy przeszliśmy z jednego wymiaru do dwóch i trzech wymiarów” - powiedział Burrows.


Symulacje te ujawniły również, że turbulencja powoduje asymetryczną eksplozję, w której gwiazda wygląda trochę jak klepsydra. Gdy eksplozja wypycha na zewnątrz w jednym kierunku, materia spada na jądro w innym kierunku, jeszcze bardziej napędzając eksplozję gwiazdy.
Te nowe symulacje pozwalają naukowcom lepiej zrozumieć, w jaki sposób supernowe ukształtowały wszechświat, który widzimy dzisiaj. „Możemy uzyskać prawidłowy zakres energii eksplozji, a także masy gwiazd neutronowych, które widzimy po sobie” - powiedział Burrows. Supernowe są w dużej mierze odpowiedzialne za tworzenie budżetu wszechświata na potężne pierwiastki, takie jak tlen i żelazo, a teoretycy zaczynają używać symulacji, aby dokładnie przewidzieć, ile tych ciężkich pierwiastków powinno być w pobliżu. „Teraz zaczynamy zajmować się problemami, które były niewyobrażalne w przeszłości” - powiedział Tuguldur Sukhbold, astrofizyk zajmujący się teorią i obliczeniami z Ohio State University.
Następny wybuch

Pomimo wykładniczego wzrostu mocy obliczeniowej symulacja supernowej jest znacznie rzadsza niż obserwacja na niebie. „Dwadzieścia lat temu co roku odkrywa się około 100 supernowych” - powiedział Edo Berger, astronom z Uniwersytetu Harvarda. „Teraz odkrywamy 10 000 lub 20 000 każdego roku”, wzrost napędzany przez nowe teleskopy, które szybko i wielokrotnie skanują nocne niebo. Z kolei teoretycy w ciągu roku przeprowadzają około 30 symulacji komputerowych. Pojedyncza symulacja, odtwarzająca zaledwie kilka minut awarii rdzenia, może zająć wiele miesięcy. „Meldujesz się codziennie i minęło tylko milisekunda” - powiedział Couch. „To jak oglądanie melasy zimą”.

Szeroka dokładność nowych symulacji wzbudziła entuzjazm astrofizyków na najbliższy wybuch. „Podczas gdy czekamy na następną supernową [w naszej galaktyce], mamy dużo do zrobienia. Musimy ulepszyć modelowanie teoretyczne, aby zrozumieć, jakie cechy możemy wykryć ”- powiedziała Irene Tamborra, astrofizyk teoretyczny z Uniwersytetu w Kopenhadze. „Nie możesz przegapić okazji, ponieważ to takie rzadkie wydarzenie”.


Większość supernowych znajduje się zbyt daleko od Ziemi, aby obserwatoria mogły wykryć ich neutrina. Supernowe w bezpośrednim sąsiedztwie Drogi Mlecznej - jak supernowa 1987A - występują średnio tylko raz na pół wieku.
Ale jeśli tak się stanie, astronomowie będą mogli „zajrzeć bezpośrednio do środka eksplozji”, powiedział Berger, obserwując jego fale grawitacyjne. „Różne grupy podkreślały, że różne procesy są ważne w rzeczywistym wybuchu gwiazdy. Te różne procesy mają różne sygnatury fal grawitacyjnych i neutrin ”.

Chociaż teoretycy osiągnęli obecnie konsensus w sprawie najważniejszych czynników napędzających supernowe, wyzwania pozostają. W szczególności wynik eksplozji jest „bardzo silnie podyktowany” strukturą jądra gwiazdy, zanim się zapadnie, powiedział Sukhbold. Niewielkie różnice potęgują się w rozmaitych skutkach w wyniku chaotycznej zapaści, a zatem ewolucja gwiazdy, zanim się zapadnie, również musi być dokładnie modelowana.


Inne pytania dotyczą roli intensywnych pól magnetycznych w jądrze obracającej się gwiazdy. „Jest bardzo możliwe, że można mieć hybrydowy mechanizm pól magnetycznych i neutrin” - powiedział Burrows. Sposób, w jaki neutrina zmieniają się z jednego typu - lub „smaku” - na inny i jak wpływa to na eksplozję, również jest niejasny.
„Jest jeszcze wiele składników, które należy dodać do naszych symulacji” - powiedział Tamborra. „Jeśli jutro miałaby eksplodować supernowa, która pasuje do naszych przewidywań teoretycznych, oznacza to, że wszystkie składniki, których obecnie brakuje, można bezpiecznie zaniedbać. Ale jeśli tak nie jest, musimy zrozumieć, dlaczego ”.

źródło: wykop.pl

Football news:

Cavani has returned to training and is likely to play against Crystal Palace
Fabio Capello, Juventus played Rugby against the Port. Only Ronaldo and Chiesa can make a difference in this squad
Neymar: I posted how I was recovering from my injury, and I didn't get any messages saying, Wow, what a professional. No
Ole Gunnar Solscher: The work of the judges is very difficult and without additional pressure. We have to make their decisions
Joan Laporta: I'm sure Messi won't stay at Barca if I don't win the election. He gives the club 30% of revenue
Trent had idolized Gerrard since he was a kid, and he was in a fairy tale: he got Steven's care and the captain's armband. The story of a great relationship
Hazard's recovery from the injury is delayed. He probably won't play against Atletico on March 7