Zum ersten Mal auf der Welt ist es endlich gelungen, eine dreidimensionale Simulation einer „Supernova“ durchzuführen, die 100-mal heller ist als eine Supernova!

[Mobile Software: Bo Ke Yuan] Den größten Teil des 20. Jahrhunderts haben Astronomen den Himmel nach Supernovas und ihren Supernova-Überresten (Supernovas sind der explosive Tod massereicher Sterne) abgesucht, um Hinweise auf die Vorfahren der Sterne, die Mechanismen, die ihre Explosionen verursachen, und die Entstehung schwerer Elemente während des Prozesses zu finden. Tatsächlich entstehen bei diesen Supernova-Ereignissen die meisten kosmischen Elemente im Universum, aus denen neue Sterne, Galaxien und Leben entstehen. Da niemand eine Supernova aus der Nähe sehen kann, sind Forscher auf Supercomputersimulationen angewiesen, um Einblicke in die physikalischen Mechanismen zu gewinnen, die Supernova-Explosionen auslösen und antreiben.

Nun hat ein internationales Team von Astrophysikern zum ersten Mal die dreidimensionale (3-D) Physik einer Hypernova simuliert, die etwa 100-mal heller ist als eine typische Supernova. Der Meilenstein wurde mit dem Castro-Code des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und dem Supercomputer des National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) erreicht und in der Zeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht. Astronomen haben herausgefunden, dass diese Hypernova-Ereignisse auftreten, wenn sich ein Magnetar – ein Stern mit einem Magnetfeld, das Billionen Mal stärker ist als das der Erde – im Zentrum einer jungen Supernova befindet.

Abbildung: Die Nebelphase einer von einem Magnetar angetriebenen Supernova, gewonnen aus einer 3D-Simulation; die Supernova-Auswurfmassen haben sich inzwischen auf eine Größe ausgedehnt, die der des Sonnensystems ähnelt; sowohl in den inneren als auch in den äußeren Bereichen des Auswurfmaterials kommt es zu einer großflächigen Vermischung. Die resultierende Lichtkurve und das Spektrum reagieren empfindlich auf Mischungen, die von der Sternstruktur und den physikalischen Eigenschaften des Magnetars abhängen.

Die von Magnetaren freigesetzte Strahlung verstärkt die Leuchtkraft von Supernovas. Um jedoch zu verstehen, wie dies geschieht, benötigen Forscher mehrdimensionale Simulationen. „Um 3D-Simulationen von Magnetar-getriebenen Supernovas durchzuführen, sind eine Menge Supercomputerleistung und der richtige Code erforderlich, der die relevante Mikrophysik erfassen kann“, sagte Ken Chen, Hauptautor der Studie und Astrophysiker am Institut für Astronomie und Astrophysik (ASIAA) der Academia Sinica in Taiwan. Die numerischen Simulationen, die erforderlich sind, um die Flüssigkeitsinstabilitäten dieser SSN-Ereignisse in drei Dimensionen zu erfassen, sind äußerst komplex. Es ist eine große Rechenleistung erforderlich, weshalb diese Forschung bisher noch niemand durchgeführt hat.

Flüssigkeitsinstabilitäten sind überall zu beobachten. Wenn Sie beispielsweise ein Glas Wasser haben und etwas Farbstoff hineingeben, wird die Oberflächenspannung des Wassers instabil und der schwerere Farbstoff sinkt auf den Boden. Da die beiden Flüssigkeiten aneinander vorbeifließen, lässt sich die Physik dieser Instabilität nicht in einer Dimension erfassen. Um alle Instabilitäten zu erkennen, ist eine zweite oder dritte Dimension senkrecht zur Höhe erforderlich. Auf kosmischer Ebene spielen Flüssigkeitsinstabilitäten, die zu Turbulenzen und Vermischungen führen, eine Schlüsselrolle bei der Entstehung kosmischer Objekte wie Galaxien, Sternen und Supernovas. Dazu ist die Erfassung physikalischer Phänomene auf verschiedenen Skalen mit extrem hoher Auflösung erforderlich.

Abbildung: Der turbulente Kern der magnetischen Blase in einer Supernova, farbcodiert zur Darstellung der Dichte. Der Magnetar befindet sich in der Mitte dieses Bildes und wird von zwei bipolaren Ausflüssen emittiert. Die physikalische Ausdehnung der Ausflüsse beträgt etwa 10.000 Kilometer.

Von sehr großen bis sehr kleinen Objekten ist es notwendig, astrophysikalische Objekte wie überlichtschnelle Supernovas genau zu modellieren. Dies stellte für die Astrophysiker eine technische Herausforderung dar, die die Studie jedoch mithilfe eines neuen numerischen Schemas und Millionen von Supercomputing-Stunden am NERSC bewältigen konnte. Für diese Studie simulierten die Forscher einen Supernova-Überrest mit einem Durchmesser von etwa 15 Milliarden Kilometern und einem Magnetar von 10 Kilometern. In diesem System zeigen Simulationsergebnisse, dass sich im Relikt zwei Skalen hydrodynamischer Instabilitäten bilden. Eine Instabilität tritt in heißen Blasen auf, die von Magnetaren angetrieben werden, und die andere entsteht, wenn die normale Stoßwelle einer jungen Supernova auf das umgebende Gas trifft.

Diese beiden Flüssigkeitsinstabilitäten führen zu einer stärkeren Vermischung als sie normalerweise bei einem typischen Supernova-Ereignis auftritt, was erhebliche Auswirkungen auf die Lichtkurve und das Spektrum der Supernova hat. Nichts davon würde in einem eindimensionalen Modell erfasst werden, und keine dieser Situationen tritt bei einem typischen Supernova-Ereignis auf. Die Studie ergab außerdem, dass Magnetare von jungen Supernovas ausgestoßene Kalzium- und Siliziumelemente auf Geschwindigkeiten von 12.000 Kilometern pro Sekunde beschleunigen können, was die Verbreiterung der Emissionslinien bei Spektralbeobachtungen erklärt. Sogar die Energie eines schwachen Magnetars kann Eisengruppenelemente tief im Inneren eines Supernova-Überrests auf 5.000 bis 7.000 Kilometer pro Sekunde beschleunigen.

Abbildung: Der turbulente Kern der magnetischen Blase im Inneren einer Supernova. Die Farbcodierung zeigt die Dichte. Der Magnetar befindet sich in der Mitte dieses Bildes. Die starken Turbulenzen werden durch die Strahlung des zentralen Magnetars verursacht.

Dies erklärt, warum Eisen bei Kernkollaps-Supernova-Ereignissen wie SN1987A, einem seit langem bestehenden Rätsel der Astrophysik, sehr früh beobachtet wird. Dem Forschungsteam ist es als erstem gelungen, ein Supernova-System in drei Dimensionen präzise zu simulieren, und es hat das Glück, Zugang zum NERSC-Supercomputer zu haben, einer Einrichtung, die ein äußerst praktischer Ort für Spitzenforschung ist.

Boco Park | Forschung/Von: National Energy Research Scientific Computing Center

Referenzzeitschrift: Astrophysik

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