После многих лет целенаправленных исследований и более 5 млн вычислительных часов на суперкомпьютере ученые создали первое в мире трехмерное гидродинамическое моделирование излучения экзотических сверхновых с высоким разрешением. Результаты исследования опубликованы в The Astrophysical Journal.
Сверхновые представляют собой ключевой интерес в современной астрофизике, охватывая множество важных астрономических и физических проблем как в теории, так и в наблюдениях, и имеют значительную исследовательскую ценность.
Во время их взрыва они выбрасывают в космос тяжелые элементы, образовавшиеся внутри звезды, закладывая основу для рождения новых звезд и планет и играя решающую роль в зарождении жизни.
Среди экзотических сверхновых наиболее загадочными являются сверхяркие сверхновые и вечно светящиеся сверхновые. Яркость сверхярких сверхновых примерно в 100 раз превышает яркость обычных сверхновых, которые обычно сохраняют свою яркость от нескольких недель до нескольких месяцев.
Напротив, вечно светящиеся сверхновые могут сохранять свою яркость в течение нескольких лет или даже дольше. Еще более удивительно то, что некоторые экзотические сверхновые демонстрируют нерегулярные и прерывистые изменения яркости, напоминающие фонтанные извержения. Эти своеобразные сверхновые могут содержать ключ к пониманию эволюции самых массивных звезд во Вселенной.
Происхождение этих экзотических сверхновых до сих пор до конца не изучено, но астрономы полагают, что они могут возникать из необычных массивных звезд. У звезд с массой от 80 до 140 раз больше солнечной по мере приближения к концу своей жизни в их ядрах происходят реакции синтеза углерода.
В настоящее время такие массивные звезды во Вселенной относительно редки, что согласуется с нехваткой пекулярных сверхновых. Поэтому ученые подозревают, что звезды с массами от 80 до 140 раз больше солнечной, скорее всего, являются прародителями пекулярных сверхновых. Однако нестабильная эволюционная структура этих звезд делает их моделирование весьма сложным, и текущие модели в основном ограничиваются одномерным моделированием.
Однако в предыдущих одномерных моделях обнаружены серьезные недостатки. Взрывы сверхновых порождают значительную турбулентность, а она играет решающую роль во взрыве и яркости сверхновых. Тем не менее, одномерные модели не способны моделировать турбулентность на основе первых принципов. Эти проблемы препятствовали глубокому пониманию физических механизмов, лежащих в основе экзотических звездных взрывов, в современной теоретической астрофизике.
Моделирование взрывов сверхновых с высоким разрешением представляло собой огромную проблему. По мере увеличения масштаба моделирования поддерживать высокое разрешение становилось все труднее, что значительно повышало сложность и вычислительные требования, а также требовало учета многочисленных физических процессов.
Авторы нового исследования объясняют, что их программа моделирования имеет преимущества перед другими конкурирующими группами в Европе и Америке. Предыдущие соответствующие иммледования, в основном, ограничивались одномерными и несколькими двумерными моделями жидкости, тогда как в экзотических сверхновых многомерные эффекты и излучение играют решающую роль, влияя на световое излучение и общую динамику взрыва.
Моделирование радиационной гидродинамики учитывает распространение излучения и его взаимодействие с веществом. Этот сложный процесс переноса радиации делает расчеты исключительно сложными, а вычислительные требования и трудности намного выше, чем при моделировании жидкости.
Однако благодаря богатому опыту ученых в моделировании взрывов сверхновых и проведении крупномасштабных симуляций. Им, наконец, удалось создать первые в мире трехмерные симуляции радиационной гидродинамики экзотических сверхновых.
Окончательное физическое распределение экзотической сверхновой с четырьмя различными цветовыми квадрантами, представляющими разные физические величины: I — температура, II — скорость, III плотность радиационной энергии и IV — плотность газа. Белый пунктирный круг указывает положение фотосферы сверхновой. Судя по этому изображению, вся звезда становится неспокойной изнутри. Позиции, в которых сталкиваются выброшенные материалы, точно соответствуют фотосфере, что указывает на образование теплового излучения во время этих столкновений, которое эффективно распространяется наружу и одновременно создает неровный газовый слой. Это изображение помогает понять основную физику экзотических сверхновых и дает объяснение наблюдаемым явлениям. Фото: Ке-Юнг Чен/ASIAA
Результаты исследователей показывают, что явление прерывистых извержений в массивных звездах проявляет характеристики, аналогичные множественным более тусклым сверхновым. При столкновении материалов разных периодов извержения примерно 20–30% кинетической энергии газа может быть преобразовано в излучение, что и объясняет явление сверхсветящихся сверхновых.
Кроме того, эффект радиационного охлаждения приводит к тому, что извергающийся газ образует плотную, но неровную трехмерную листовую структуру, и этот слой листа становится основным источником светового излучения сверхновой. Результаты их моделирования эффективно объясняют наблюдаемые особенности экзотических сверхновых, упомянутых выше.
Благодаря передовому суперкомпьютерному моделированию это исследование делает значительный прогресс в понимании физики экзотических сверхновых. С началом проектов по исследованию сверхновых нового поколения астрономы смогут обнаружить более экзотические сверхновые, что еще больше сформирует наше понимание последних стадий обычных массивных звезд и механизмов их взрыва.
