Ein internationales Team von Astronomen nutzte leistungsstarke Supercomputer am Lawrence Berkeley National Laboratory in den Vereinigten Staaten und am National Astronomical Observatory in Japan. Nach Jahren sorgfältiger Forschung und mehr als fünf Millionen Supercomputer-Rechenstunden erstellten sie schließlich die weltweit erste hochauflösende dreidimensionale Strahlungshydrodynamiksimulation einer bizarren Supernova. Die Entdeckung wird in der neuesten Ausgabe des Astrophysical Journal veröffentlicht.
Dreidimensionale Simulationen exotischer Supernovae zeigen die turbulenten Strukturen, die beim Ausstoß von Material bei der Explosion entstehen. Diese turbulenten Strukturen beeinflussen dann die gesamte Helligkeit und Explosionsstruktur der Supernova. Turbulenzen spielen bei Supernova-Explosionen eine entscheidende Rolle und werden durch unregelmäßige Flüssigkeitsbewegungen verursacht, die zu einer komplexen Dynamik führen. Diese turbulenten Strukturen vermischen und verzerren Materie, beeinflussen die Freisetzung und Übertragung von Energie und beeinflussen dadurch die Helligkeit und das Erscheinungsbild der Supernova. Durch dreidimensionale Simulationen erhalten Wissenschaftler ein tieferes Verständnis der physikalischen Prozesse seltsamer Supernova-Explosionen und können die beobachteten Phänomene und Eigenschaften dieser außergewöhnlichen Supernovae erklären. Quelle: Ke-JungChen/ASIAA
Supernova-Explosionen sind die spektakulärsten Enden massereicher Sterne. Sie beenden ihren Lebenszyklus durch Selbstzerstörung und setzen augenblicklich eine Helligkeit frei, die der von Milliarden Sonnen entspricht und das gesamte Universum erleuchtet. Bei der Explosion werden auch schwere Elemente aus dem Inneren des Sterns herausgeschleudert, was den Grundstein für die Geburt neuer Sterne und Planeten legt und eine entscheidende Rolle bei der Entstehung des Lebens spielt. Daher sind Supernovae zu einem der Grenzthemen der modernen Astrophysik geworden, die viele wichtige astronomische und physikalische Fragen in Theorie und Beobachtung abdecken und einen wichtigen Forschungswert haben.
Im letzten halben Jahrhundert hat uns die Forschung ein relativ umfassendes Verständnis von Supernovae vermittelt. Die neuesten groß angelegten Supernova-Durchmusterungsbeobachtungen zeigen jedoch, dass es viele ungewöhnliche Sternexplosionen (bizarre Supernovae) gibt, die bisherige Erkenntnisse über die Supernova-Physik in Frage stellen und auf den Kopf stellen.
Das Geheimnis einer seltsamen Supernova
Unter den seltsamen Supernovae sind superleuchtende Supernovae und ewig leuchtende Supernovae die rätselhaftesten. Superluminöse Supernovae sind etwa 100-mal heller als gewöhnliche Supernovae, während die Helligkeit gewöhnlicher Supernovae normalerweise nur einige Wochen bis 2-3 Monate anhält. Im Gegensatz dazu können kürzlich entdeckte ewig leuchtende Supernovae ihre Helligkeit mehrere Jahre oder länger beibehalten.
Noch überraschender ist, dass einige seltsame Supernovae unregelmäßige und intermittierende Helligkeitsänderungen aufweisen und wie Fontänen ausbrechen. Diese seltsamen Supernovae könnten der Schlüssel zum Verständnis der Entwicklung der massereichsten Sterne im Universum sein.
Dieses Bild zeigt die endgültige physikalische Verteilung seltsamer Supernovae. Die vier Quadranten unterschiedlicher Farbe stellen unterschiedliche physikalische Größen dar: I. Temperatur; II. Geschwindigkeit; III. Strahlungsenergiedichte; IV. Gasdichte. Der weiße gestrichelte Kreis zeigt den Ort der Supernova-Photosphäre an. Wie Sie auf diesem Bild sehen können, wird der gesamte Stern von innen nach außen turbulent. Die Orte, an denen das ausgestoßene Material kollidierte, stimmten weitgehend mit den Positionen der Photosphären überein, was darauf hindeutet, dass bei diesen Kollisionen Wärmestrahlung erzeugt wurde, die sich effektiv nach außen ausbreitete und gleichzeitig eine ungleichmäßige Gasschicht erzeugte. Dieses Bild hilft uns, die grundlegende Physik seltsamer Supernovae zu verstehen und liefert eine Erklärung für die beobachteten Phänomene. Quelle: Ke-JungChen/ASIAA
Herkunft und evolutionäre Struktur
Der Ursprung dieser bizarren Supernovae ist nicht vollständig geklärt, aber Astronomen glauben, dass sie von ungewöhnlich massereichen Sternen ausgehen könnten. Bei Sternen mit Massen zwischen dem 80- und 140-fachen der Sonnenmasse kommt es in ihren Kernen zu Kohlenstofffusionsreaktionen, wenn sie sich dem Ende ihres Lebens nähern. Dabei erzeugen hochenergetische Photonen Elektron-Positron-Paare und lösen im Kern Pulsationen aus, die mehrere heftige Kontraktionen auslösen.
Diese Kontraktionen setzen große Mengen an Fusionsenergie frei und lösen Explosionen aus, die zu massiven Sternexplosionen führen. Die Ausbrüche selbst ähneln möglicherweise gewöhnlichen Supernova-Explosionen. Darüber hinaus kann es zu einem Phänomen kommen, das einer superluminalen Supernova ähnelt, wenn Materie in verschiedenen Explosionsstadien kollidiert.
Derzeit ist die Anzahl solch massereicher Sterne im Universum relativ selten, was mit der Seltenheit exotischer Supernovae übereinstimmt. Daher vermuten Wissenschaftler, dass Sterne mit 80- bis 140-fachen Sonnenmassen höchstwahrscheinlich die Vorfahren seltsamer Supernovae sind. Die instabile, sich entwickelnde Struktur dieser Sterne macht ihre Modellierung jedoch zu einer großen Herausforderung, und aktuelle Modelle beschränken sich hauptsächlich auf eindimensionale Simulationen.
Einschränkungen früherer Modelle
Allerdings weisen bisherige eindimensionale Modelle auch gravierende Mängel auf. Supernova-Explosionen erzeugen viele Turbulenzen, und Turbulenzen spielen eine entscheidende Rolle für die Explosion und Helligkeit von Supernovae. Allerdings können eindimensionale Modelle Turbulenzen nicht nach ersten Prinzipien simulieren. Aufgrund dieser Herausforderungen ist ein tiefgreifendes Verständnis der physikalischen Mechanismen hinter seltsamen Supernovae immer noch ein großes Problem in der aktuellen theoretischen Astrophysik.
Ein Sprung in den Simulationsmöglichkeiten
Hochauflösende Simulationen von Supernova-Explosionen stellen erhebliche Herausforderungen dar. Mit zunehmendem Umfang der Simulationen wird es immer schwieriger, eine hohe Auflösung aufrechtzuerhalten, was die Komplexität und den Rechenaufwand erheblich erhöht und gleichzeitig die Berücksichtigung einer großen Anzahl physikalischer Prozesse erfordert. Chen Kezheng betonte, dass der Simulationscode ihres Teams im Vergleich zu anderen konkurrierenden Gruppen in Europa und den Vereinigten Staaten Vorteile habe.
Bisherige relevante Simulationen beschränkten sich hauptsächlich auf eindimensionale und wenige zweidimensionale Flüssigkeitsmodelle, während bei exotischen Supernovae mehrdimensionale Effekte und Strahlung eine entscheidende Rolle spielen, die die optische Strahlung und die Gesamtdynamik der Explosion beeinflussen.
Die Leistungsfähigkeit von Simulationen der Strahlungshydrodynamik
Simulationen der Strahlungshydrodynamik berücksichtigen die Strahlungsausbreitung und ihre Wechselwirkung mit Materie. Dieser komplizierte Strahlungsübertragungsprozess macht Berechnungen äußerst anspruchsvoll und seine Rechenanforderungen und -schwierigkeiten sind viel höher als die von Flüssigkeitssimulationen. Dank der umfangreichen Erfahrung des Teams in der Modellierung von Supernova-Explosionen und groß angelegten Simulationsläufen gelang es ihnen jedoch schließlich, die weltweit erste dreidimensionale Strahlungshydrodynamiksimulation einer bizarren Supernova zu erstellen.
Forschungsergebnisse und Implikationen
Die Ergebnisse des Teams legen nahe, dass intermittierende Explosionen massereicher Sterne ähnliche Eigenschaften wie mehrere schwächere Supernovae aufweisen können. Wenn Materialien aus verschiedenen Explosionsstadien kollidieren, können etwa 20–30 % der kinetischen Energie des Gases in Strahlung umgewandelt werden, was die Ursache des überluminalen Supernova-Phänomens ist.
Darüber hinaus führt der Strahlungskühlungseffekt dazu, dass das ausgestoßene Gas eine dichte, aber ungleichmäßige dreidimensionale Blattstruktur bildet. Diese Blattstruktur wird zur Hauptlichtemissionsquelle der Supernova. Ihre Simulationsergebnisse erklären effektiv die beobachteten Eigenschaften der oben erwähnten seltsamen Supernovae.
Mithilfe modernster Supercomputersimulationen liefert die Forschung erhebliche Fortschritte beim Verständnis der Physik bizarrer Supernovae. Mit dem Start des Next Generation Supernova Survey werden Astronomen weitere exotische Supernovae entdecken und so unser Verständnis der Endstadien typischerweise massereicher Sterne und ihrer Explosionsmechanismen weiter vertiefen.