В знаменательном телесериале «Космос» астроном Карл Саган провозгласил знаменитую фразу: «Мы сделаны из звездного материала»."
В конце своего жизненного цикла эти массивные звезды эффектно взрываются, разбрасывая свои кишки, состоящие из углерода, железа и в основном всех других природных элементов, по всему космосу. Эти элементы продолжают формировать новые звезды, солнечные системы и все остальное во Вселенной, включая строительные блоки для жизни на Земле.
Несмотря на эту фундаментальную роль в космологии, механизмы, вызывающие взрывы сверхновых, все еще недостаточно изучены.
«Если мы хотим понять химическую эволюцию всей Вселенной и то, как материал, из которого мы состоим, был обработан и распределен по всей Вселенной, мы должны понять механизм сверхновой», — сказал Шон Коуч, доцент кафедры физики и астрономии. в Университете штата Мичиган.
Чтобы пролить свет на это сложное явление, Couch прилагает усилия по использованию Mira, 10-петафлопсного суперкомпьютера Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), для проведения одного из крупнейших и наиболее подробных трехмерных моделей разрушения ядра. сверхновые.
ALCF — это U.S. Управление науки Министерства энергетики США (DOE).
После миллионов лет сжигания все более тяжелых элементов у этих сверхгигантских звезд (по крайней мере, восемь солнечных масс, или восемь масс Солнца) в конечном итоге заканчивается ядерное топливо и образуется железное ядро.
Больше не в силах противостоять собственному огромному гравитационному притяжению, они начинают разрушаться. Но вмешивается еще не полностью понятый процесс, который обращает вспять коллапс и заставляет звезду взорваться.
«Теоретики вроде меня пытаются понять, что промежуточный шаг», — сказал Коуч. "Как перейти от разрушающегося железного ядра к взрыву??"
Работая в ALCF, Коуч и его команда разрабатывают и демонстрируют высокоточный подход к трехмерному моделированию, который обеспечивает более реалистичный взгляд на этот «промежуточный шаг», чем предыдущие моделирование сверхновой.
Хотя этот трехмерный метод все еще находится в зачаточном состоянии, первые результаты Коуча были многообещающими. В 2015 году его команда опубликовала статью в Astrophysical Journal Letters, в которой подробно описывала трехмерное моделирование последних трех минут роста железного ядра звезды с массой 15 солнечных.
Они обнаружили, что более точные представления о структуре звезды и движении, вызванном турбулентной конвекцией (измеряемой со скоростью несколько сотен километров в секунду), играют существенную роль в точке коллапса.
«Неудивительно, что мы показываем, что более реалистичные начальные условия оказывают значительное влияние на результаты», — сказал Коуч.
Добавление еще одного измерения
Несмотря на то, что звезды вращаются, имеют магнитные поля и не являются идеальными сферами, в большинстве одномерных и двумерных моделей сверхновых на сегодняшний день моделируются невращающиеся немагнитные сферически-симметричные звезды.
Ученые были вынуждены использовать этот упрощенный подход, потому что моделирование сверхновых — чрезвычайно сложная задача с вычислительной точки зрения. Такое моделирование включает в себя очень сложные мультифизические расчеты и экстремальные временные рамки: звезды эволюционируют в течение миллионов лет, а механизм сверхновой происходит за секунду.
По словам Коуча, работа с нереалистичными начальными условиями привела к трудностям с запуском надежных и последовательных взрывов при моделировании — давняя проблема вычислительной астрофизики.
Однако, благодаря недавним достижениям в области вычислительного оборудования и программного обеспечения, Коуч и его коллеги делают значительные шаги в направлении более точного моделирования сверхновых, используя трехмерный подход.
Появление суперкомпьютеров, таких как Mira, сделало возможным включение высокоточных трактовок вращения, магнитных полей и других сложных физических процессов, которые в прошлом были невозможны.
«Обычно, когда мы проводили подобные симуляции в прошлом, мы игнорировали тот факт, что магнитные поля существуют во Вселенной, потому что, когда вы добавляете их в расчет, это увеличивает сложность примерно в два раза», — говорит Коуч сказал. "Но с помощью нашего моделирования на Мире мы обнаружили, что магнитные поля могут добавить небольшой дополнительный импульс в нужный момент, чтобы подтолкнуть сверхновую к взрыву."
Что касается программного обеспечения, Couch продолжает сотрудничать с учеными-вычислителями ALCF, чтобы улучшить код FLASH с открытым исходным кодом и его способность имитировать сверхновые.
Но даже при сегодняшнем высокопроизводительном вычислительном оборудовании и программном обеспечении еще невозможно включить высокоточные обработки всей соответствующей физики в одну симуляцию; для этого потребуется будущая эксафлопсная система, — сказал Коуч.
«Наше моделирование — это только первый шаг к действительно реалистичному трехмерному моделированию сверхновой», — сказал он. "Но они уже предоставляют доказательство принципа того, что последние минуты эволюции массивной звезды можно и нужно смоделировать в трехмерном пространстве."
Результаты команды были опубликованы в Astrophysical Journal Letters в статье 2015 года под названием «Трехмерная эволюция до коллапса ядра массивной звезды."В исследовании также использовались вычислительные ресурсы Техасского центра передовых вычислений при Техасском университете в Остине.