Een internationaal team van astronomen maakte gebruik van krachtige supercomputers in het Lawrence Berkeley National Laboratory in de Verenigde Staten en het National Astronomical Observatory in Japan. Na jaren van nauwgezet onderzoek en meer dan vijf miljoen supercomputercomputeruren hebben ze eindelijk 's werelds eerste driedimensionale stralingshydrodynamica-simulatie met hoge resolutie van een bizarre supernova gemaakt. De ontdekking zal worden gepubliceerd in het nieuwste nummer van The Astrophysical Journal.

Driedimensionale simulaties van exotische supernova's onthullen de turbulente structuren die ontstaan ​​tijdens het uitwerpen van materiaal tijdens de explosie. Deze turbulente structuren beïnvloeden vervolgens de helderheid en explosiestructuur van de algehele supernova. Turbulentie speelt een cruciale rol tijdens supernova-explosies en wordt veroorzaakt door onregelmatige vloeistofbewegingen, wat leidt tot een complexe dynamiek. Deze turbulente structuren vermengen en vervormen materie, waardoor het vrijkomen en de overdracht van energie wordt beïnvloed, waardoor de helderheid en het uiterlijk van de supernova worden beïnvloed. Door middel van driedimensionale simulaties krijgen wetenschappers een dieper inzicht in de fysieke processen van vreemde supernova-explosies en kunnen ze de waargenomen verschijnselen en kenmerken van deze buitengewone supernova’s verklaren. Bron: Ke-JungChen/ASIAA

Supernova-explosies zijn de meest spectaculaire eindes van massieve sterren. Ze beëindigen hun levenscycli door zelfvernietiging, waardoor onmiddellijk een helderheid vrijkomt die gelijk is aan miljarden zonnen, waardoor het hele universum wordt verlicht. Tijdens de explosie worden ook zware elementen uit de ster weggeslingerd, waardoor de basis wordt gelegd voor de geboorte van nieuwe sterren en planeten en een cruciale rol wordt gespeeld bij het ontstaan ​​van leven. Daarom zijn supernova's een van de grensonderwerpen van de moderne astrofysica geworden, die veel belangrijke astronomische en fysische kwesties in theorie en observatie bestrijken, en een belangrijke onderzoekswaarde hebben.

De afgelopen halve eeuw heeft onderzoek ons ​​een relatief uitgebreid begrip van supernova's opgeleverd. De laatste grootschalige supernova-surveywaarnemingen beginnen echter veel ongebruikelijke stellaire explosies (bizarre supernova's) aan het licht te brengen die eerder gevestigde inzichten in de supernovafysica uitdagen en tenietdoen.

Het mysterie van een vreemde supernova

Van de vreemde supernova's zijn de superlumineuze supernova's en de eeuwig lichtgevende supernova's het meest raadselachtig. Superlumineuze supernova's zijn ongeveer 100 keer helderder dan gewone supernova's, terwijl de helderheid van gewone supernova's gewoonlijk slechts enkele weken tot 2-3 maanden aanhoudt. Daarentegen kunnen recent ontdekte, eeuwig gloeiende supernova's hun helderheid meerdere jaren of langer behouden.

Nog verrassender is dat sommige vreemde supernova's onregelmatige en periodieke veranderingen in helderheid vertonen en als fonteinen uitbarsten. Deze vreemde supernova's kunnen de sleutel vormen tot het begrijpen van de evolutie van de zwaarste sterren in het universum.

Deze foto toont de uiteindelijke fysieke verspreiding van vreemde supernova's. De vier kwadranten met verschillende kleuren vertegenwoordigen verschillende fysieke grootheden: I. Temperatuur; II. Snelheid; III. Stralingsenergiedichtheid; IV. Gasdichtheid. De witte stippellijn geeft de locatie van de supernovafotosfeer aan. Zoals je op deze afbeelding kunt zien, wordt de hele ster van binnenuit turbulent. De locaties waar het uitgeworpen materiaal in botsing kwam, kwamen nauw overeen met de posities van de fotosferen, wat erop wijst dat tijdens deze botsingen thermische straling werd geproduceerd, die zich effectief naar buiten voortplantte en tegelijkertijd een niet-uniforme gaslaag creëerde. Deze afbeelding helpt ons de basisfysica van vreemde supernova's te begrijpen en geeft een verklaring voor de waargenomen verschijnselen. Bron: Ke-JungChen/ASIAA

Oorsprong en evolutionaire structuur

De oorsprong van deze bizarre supernovae is nog niet helemaal duidelijk, maar astronomen denken dat ze afkomstig kunnen zijn van ongewoon massieve sterren. Bij sterren met een massa tussen 80 en 140 keer die van de zon vinden koolstoffusiereacties plaats in hun kern als ze het einde van hun leven naderen. Daarbij creëren hoogenergetische fotonen elektron-positronparen, waardoor pulsaties in de kern worden veroorzaakt die verschillende gewelddadige samentrekkingen veroorzaken.

Bij deze samentrekkingen komen grote hoeveelheden fusie-energie vrij en veroorzaken explosies, wat leidt tot massieve sterexplosies. De uitbarstingen zelf kunnen lijken op gewone supernova-explosies. Wanneer materie in verschillende explosiefasen botst, kan er bovendien een fenomeen optreden dat lijkt op een superluminale supernova.

Momenteel is het aantal van zulke zware sterren in het heelal relatief zeldzaam, wat consistent is met de schaarste aan exotische supernova’s. Daarom vermoeden wetenschappers dat sterren met een massa van 80 tot 140 keer die van de zon hoogstwaarschijnlijk de voorouders zijn van vreemde supernova's. De onstabiele evoluerende structuur van deze sterren maakt het modelleren ervan echter behoorlijk uitdagend, en de huidige modellen zijn voornamelijk beperkt tot eendimensionale simulaties.

Beperkingen van eerdere modellen

Eerdere eendimensionale modellen vertonen echter ook ernstige tekortkomingen. Supernova-explosies veroorzaken veel turbulentie, en turbulentie speelt een cruciale rol bij de explosie en helderheid van supernova's. Eendimensionale modellen kunnen echter geen turbulentie simuleren op basis van de eerste principes. Deze uitdagingen maken een diepgaand begrip van de fysieke mechanismen achter vreemde supernova's nog steeds een groot probleem in de huidige theoretische astrofysica.

Een sprong in simulatiemogelijkheden

Simulaties met hoge resolutie van supernova-explosies vormen aanzienlijke uitdagingen. Naarmate de schaal van simulaties toeneemt, wordt het handhaven van een hoge resolutie steeds moeilijker, waardoor de complexiteit en de rekenvereisten aanzienlijk toenemen, terwijl ook met een groot aantal fysieke processen rekening moet worden gehouden. Chen Kezheng benadrukte dat de simulatiecode van hun team voordelen heeft vergeleken met andere concurrerende groepen in Europa en de Verenigde Staten.

Eerdere relevante simulaties waren voornamelijk beperkt tot eendimensionale en enkele tweedimensionale vloeistofmodellen, terwijl in exotische supernovae multidimensionale effecten en straling een cruciale rol spelen, die de optische straling en de algehele dynamiek van de explosie beïnvloeden.

De kracht van simulaties van stralingshydrodynamica

Stralingshydrodynamica-simulaties houden rekening met de voortplanting van straling en de interactie ervan met materie. Dit ingewikkelde stralingsoverdrachtsproces maakt berekeningen uiterst uitdagend, en de rekenvereisten en moeilijkheidsgraad ervan zijn veel hoger dan die van vloeistofsimulaties. Dankzij de uitgebreide ervaring van het team met het modelleren van supernova-explosies en grootschalige simulaties zijn ze er uiteindelijk in geslaagd om 's werelds eerste driedimensionale stralingshydrodynamica-simulatie van een bizarre supernova te creëren.

Onderzoeksresultaten en implicaties

De bevindingen van het team suggereren dat intermitterende explosies van massieve sterren kenmerken kunnen vertonen die vergelijkbaar zijn met meerdere zwakkere supernova's. Wanneer materialen uit verschillende explosiestadia botsen, kan ongeveer 20%-30% van de kinetische energie van het gas worden omgezet in straling, wat de oorzaak is van het fenomeen superluminale supernova.

Bovendien zorgt het stralingskoelingseffect ervoor dat het uitgestoten gas een dichte maar ongelijkmatige driedimensionale plaatstructuur vormt. Deze plaatstructuur wordt de belangrijkste bron van lichtemissie van de supernova. Hun simulatieresultaten verklaren effectief de waargenomen kenmerken van de bovengenoemde vreemde supernova's.

Met behulp van geavanceerde supercomputersimulaties levert het onderzoek aanzienlijke vooruitgang op in het begrijpen van de fysica van bizarre supernova's. Met de lancering van de Next Generation Supernova Survey zullen astronomen meer exotische supernova’s detecteren, waardoor ons begrip van de laatste stadia van typisch massieve sterren en hun explosiemechanismen verder wordt verdiept.