3D-Supernova-Simulationen zeigen, warum sie explodieren
Turbulente Materie wirbelt um die Mitte des zusammenbrechenden Sterns. Turbulenzen geben der Supernova-Schockwelle (blau) einen zusätzlichen Impuls, wonach der dichte Kern des Sterns im Zentrum einen Neutronenstern bildet.
1987 explodierte ein Riesenstern in der Nähe unserer Milchstraßengalaxie. Es war die hellste und am nächsten gelegene Supernova seit der Erfindung des Teleskops (vor fast 400 Jahren), und fast alle Observatorien wandten sich in diese Richtung, um das Ereignis genauer zu betrachten. Das interessanteste Ergebnis der Beobachtung war, dass spezielle Observatorien tief unter der Erde schüchterne subatomare Partikel, Neutrinos, nachweisen konnten , deren Strom aus dem Zentrum der Explosion strömte.
Der erste Vorschlag, dass diese Partikel die treibende Kraft für Supernova-Explosionen sind, wurde 1966 gemacht. Das Auffinden dieser Teilchen ist für Theoretiker, die versuchen zu verstehen, wie Explosionen funktionieren, zu einer Quelle des Trostes geworden. In den folgenden Jahrzehnten stießen Astrophysiker jedoch ständig auf einen scheinbar fatalen Mangel an neutrinobasierten Modellen.
Es ist bekannt, dass Neutrinos gleichgültig sind, und wie genau Neutrinos unter extremen Implosionsbedingungen Energie auf gewöhnliche Sternmaterie übertragen, blieb unklar. In Simulationen der Bewegung und Wechselwirkung von Partikeln auf einem Computer haben Theoretiker immer so gearbeitet, dass die Supernova-Druckwelle stoppt und auf den Stern zurückfällt. Aufgrund all dieser Fehler "ist die Idee tief verwurzelt, dass unsere führende Theorie der Supernova-Explosionen nicht funktioniert", sagte Sean Couch , ein Computerastrophysiker an der Michigan State University.
Natürlich sind die spezifischen Prozesse, die während der Explosion in den Tiefen der Supernova stattfinden, immer ein Rätsel geblieben. Es ist ein Kessel mit extremen Bedingungen, eine turbulente Suppe aus verwandelnder Materie. Die Partikel und Kräfte, die wir normalerweise in unserem täglichen Leben ignorieren, werden kritisch. Erschwerend kommt hinzu, dass das Innere der Explosion durch heiße Gaswolken weitgehend verborgen ist. Das Verständnis der Funktionsweise von Supernovae "war ein zentrales ungelöstes Problem für die Astrophysik", sagte Adam Burroughs , Astrophysiker an der Princeton University, der Supernovae seit über 35 Jahren untersucht.
In den letzten Jahren ist es Theoretikern jedoch gelungen, die überraschend komplexen Prozesse der Supernovae besser zu verstehen. Explodierende Simulationen sind zur Norm geworden, nicht zur Ausnahme schrieb Burroughs im Januar 2021 in der Zeitschrift Nature. Die Computerprogramme konkurrierender Forschungsteams sind sich einig, wie sich Stoßwellen bei einer Supernova-Explosion entwickeln. Die Simulationen gingen so weit, dass sie sogar Details von Einsteins äußerst komplexer allgemeiner Relativitätstheorie enthielten. Die Rolle der Neutrinos beginnt endlich zu verstehen.
"Dies ist ein Wendepunkt", sagte Couch. Physiker haben entdeckt, dass kollabierende Sterne ohne Turbulenzen überhaupt keine Supernovae bilden könnten.
Chaostanz
Während des größten Teils des Lebens eines Sterns befindet sich die auf das Zentrum wirkende Gravitationsanziehung im instabilen Gleichgewicht mit dem nach außen gerichteten Strahlungsdruck von Kernreaktionen, die im Kern des Sterns auftreten. Wenn einem Stern der Treibstoff ausgeht, gewinnt die Schwerkraft. Der Stern kollabiert mit einer Geschwindigkeit von 150.000 km / h, was die Temperatur abrupt auf 100 Milliarden ° C erhöht und den Kern des Sterns zum Schmelzen bringt und ihn in einen festen Neutronenball verwandelt.
Die äußeren Schichten des Sterns fallen weiter nach innen. Wenn sie jedoch mit diesem inkompressiblen Neutronenkern kollidieren, prallen sie von ihm ab und erzeugen eine Stoßwelle. Damit eine Stoßwelle zu einer Explosion wird, muss sie mit genügend Energie nach außen beschleunigt werden, um die Anziehungskraft des Sterns zu überwinden. Außerdem muss die Stoßwelle gegen die äußeren Schichten des Sterns kämpfen, die nach innen auf den Kern fallen.
Bis vor kurzem war wenig über die Kräfte bekannt, die die Druckwelle antreiben. Computer waren jahrzehntelang nicht stark genug, um nur mit vereinfachten Modellen eines kollabierenden Kernels zu arbeiten. Die Sterne wurden als ideale Kugeln angesehen, und die Stoßwelle breitete sich symmetrisch vom Zentrum in alle Richtungen aus. In diesen eindimensionalen Modellen verlangsamen sich die Druckwellen jedoch, wenn sie sich bewegen, und lassen danach nach.
Erst in den letzten Jahren, als die Leistung von Supercomputern zunahm, hatten Theoretiker genug Computerleistung, um ausreichend komplexe Modelle massereicher Sterne zu bauen, die Explosionen erzeugen können. Die bisher besten Modelle berücksichtigen Wechselwirkungen zwischen Neutrinos und Materie, die ungeordnete Bewegung von Flüssigkeiten und die jüngsten Fortschritte in der Wissenschaft von der Kernphysik bis zur Sternentwicklung. Darüber hinaus können Theoretiker mehrere Simulationen pro Jahr durchführen , die Modelleinstellungen anpassen und unterschiedliche Anfangsbedingungen erleben.
Einer der Wendepunkte ereignete sich 2015, als Couch und seine Kollegen ein 3D- Computermodell der letzten Minuten auf den Markt brachten.Zusammenbruch eines massiven Sterns. Obwohl die Simulation nur 160 Sekunden des Lebens des Sterns abdeckte, zeigte sie deutlich die Rolle einer unterschätzten Kraft bei der Umwandlung bremsender Druckwellen in ausgewachsene Explosionen.
Im Mutterleib des Monsters drehten sich die Partikel und rasten chaotisch. „Es ist wie Wasser, das in einem Topf kocht. Eine Flüssigkeit dreht sich in einem Stern und bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von Tausenden von Kilometern pro Sekunde “, sagte Couch.
Turbulenzen erzeugen zusätzlichen Druck in der Druckwelle und drücken sie von der Mitte des Sterns weg. Und je weiter vom Zentrum entfernt, desto schwächer ist die Anziehungskraft und desto seltener fällt die Dichte der Materie in Richtung Zentrum, wodurch die Druckwelle beruhigt werden kann. Außerdem hat turbulente Materie, die sich unter dem Deckmantel einer Stoßwelle bewegt, mehr Zeit, um Neutrinos zu absorbieren. Dann erwärmt diese Energie vom Neutrino die Materie und beschleunigt die Druckwelle bis zur Explosion des Sterns.
Forscher haben die Bedeutung von Turbulenzen seit vielen Jahren unterschätzt, da sie sich nur in 3D-Simulationen vollständig zeigen. „Wir haben jahrzehntelang gearbeitet, um das zu tun, was die Natur ohne Schwierigkeiten kann. Wir sind schrittweise von einer Dimension zu zwei und dann zu drei übergegangen “, sagte Burroughs.
In der ersten halben Sekunde nach dem Zusammenbruch des Kerns des Sterns umgibt ihn wirbelnde Materie. In dieser Simulation werden die Farben der Materie in Abhängigkeit von der Entropie, dem Maß der Störung [oder vielmehr dem Maß der Information über das System / ca. per.] (je näher an Rot, desto größer die Entropie). Aufgrund von Turbulenzen ist die Explosion asymmetrisch.
Aus Simulationen wurde auch deutlich, dass Turbulenzen zu asymmetrischen Explosionen führen, bei denen der Stern ein bisschen wie eine Sanduhr ist. Die Explosion erzeugt Druck in eine Richtung und Materie fällt in der anderen Richtung weiter auf den Kern des Sterns, was die Explosion weiter befeuert.
Die neuen Simulationen geben Forschern ein besseres Verständnis dafür, wie Supernovae das Universum heute geprägt haben. "Wir können den richtigen Bereich explosiver Energien und die zurückgelassenen Massen von Neutronensternen erhalten", sagte Burroughs. Supernovae sind hauptsächlich dafür verantwortlich, das Budget der schweren Elemente des Universums wie Sauerstoff und Eisen zu tanken, und Theoretiker beginnen Simulationen zu verwenden, die bestimmte Anteile schwerer Elemente im Weltraum vorhersagen. "Wir fangen an, Probleme anzugehen, die in der Vergangenheit nie gelöst werden konnten", sagte Tuguldur Sukhbold , ein rechentheoretischer Astrophysiker an der Ohio State University.
Nächste Explosion
Trotz des exponentiellen Anstiegs der Rechenleistung werden Supernova-Simulationen viel seltener durchgeführt als Beobachtungen von ihnen. "Vor 20 Jahren haben wir jedes Jahr etwa 100 Supernovae gefunden", sagte Ido Berger , Astronom an der Harvard University. "Heute eröffnen wir jährlich 10.000 bis 20.000 Einheiten." Die Zunahme der Beobachtungen ist auf neue Teleskope zurückzuführen, die den Nachthimmel schnell und regelmäßig überblicken. Theoretiker führen jährlich etwa 30 Computersimulationen durch. Eine Simulation, die einige Minuten nach dem Zusammenbruch des Kerns neu erstellt wird, dauert mehrere Monate. "Sie überprüfen jeden Tag und es ist nur eine Millisekunde vergangen", sagte Couch. "Es ist, als würde man Melasse in der Kälte fließen sehen."
Die Genauigkeit der neuen Simulationen lässt Astrophysiker sich auf die nächste Explosion freuen, die in unserer Nähe sein würde. „Während wir auf die nächste Supernova in unserer Galaxie warten, haben wir noch viel zu tun. Wir müssen theoretische Modelle verbessern, um zu verstehen, welche Merkmale des Prozesses wir möglicherweise erkennen “, sagte Irene Tamborra , eine theoretische Astrophysikerin an der Universität von Kopenhagen. "Die Gelegenheit sollte nicht verpasst werden, denn es ist ein so seltenes Ereignis."
Die meisten Supernovae werden zu weit von der Erde entfernt entzündet, als dass bodengestützte Observatorien ihre Neutrinos nachweisen könnten. Supernovae in unmittelbarer Nähe der Milchstraße - wie SN 1987A - treten durchschnittlich etwa einmal pro halbes Jahrhundert auf....
Aber wenn eine Supernova auftritt, können Astronomen "direkt in das Zentrum der Explosion schauen", sagte Berger. Dies wird dank der Beobachtung von Gravitationswellen möglich sein. „Verschiedene Gruppen halten die unterschiedlichen Prozesse während der Explosion für wichtig. Und für all diese Prozesse sehen Gravitationswellen und Neutrino-Flüsse unterschiedlich aus. “
Und während sich die Theoretiker heute praktisch auf die wichtigsten Faktoren geeinigt haben, die den Supernovae zugrunde liegen, bleiben die Schwierigkeiten bestehen. Insbesondere das Ergebnis der Explosion "hängt stark von der Struktur des Kerns des Sterns vor der Explosion selbst ab", sagte Sukhbold. Kleine Unterschiede nehmen zu, was zu unterschiedlichen Ergebnissen eines chaotischen Zusammenbruchs führt. Daher muss auch die Entwicklung des Sterns, die dem Zusammenbruch vorausging, sorgfältig modelliert werden....
Andere Fragen betreffen die Rolle starker Magnetfelder im rotierenden Kern eines Sterns. "Es ist möglich, dass ein hybrider Mechanismus aus Magnetfeldern und Neutrinos am Werk ist", sagte Burroughs. Es ist auch unklar, wie genau Neutrinos ihren Typ - "Sort" - von einem zum anderen ändern und wie sich dies auf die Explosion auswirkt.
"Es gibt noch viele Zutaten, die zu den Simulationen hinzugefügt werden können", sagte Tamborra. - Wenn eine Supernova morgen explodiert und mit unseren theoretischen Vorhersagen übereinstimmt, können alle anderen Zutaten, die uns heute fehlen, ignoriert werden. Aber wenn das nicht passiert, müssen wir herausfinden, warum. "