Суперкомпьютерное моделирование всего за 10 миллисекунд коллапса массивной звезды в нейтронную звезду доказывает, что эти катастрофические события, часто называемые гиперновыми, могут генерировать огромные магнитные поля, необходимые для взрыва звезды и запуска всплесков гамма-лучей, видимых на полпути. Вселенная.Результаты моделирования, опубликованные в Интернете 30 ноября перед публикацией в журнале Nature, демонстрируют, что когда вращающаяся звезда коллапсирует, звезда и прикрепленное к ней магнитное поле вращаются все быстрее и быстрее, образуя динамо-машину, которая вращает магнитное поле до в миллион миллиардов раз больше магнитного поля Земли.
Столь сильного поля достаточно, чтобы сфокусировать и ускорить газ вдоль оси вращения звезды, создавая две струи, которые в конечном итоге могут производить разнонаправленные взрывы высокоэнергетических гамма-лучей.Первыми электрическими генераторами были динамо-машины, генерирующие ток, когда провода вращались в магнитном поле.
Звездные динамо генерируют электрические токи, когда магнитные поля движутся в пространстве, в то время как токи, в свою очередь, усиливают магнитное поле, что приводит к петле обратной связи, которая создает гигантские магнитные поля.«Динамо-машина — это способ взять мелкомасштабные магнитные структуры внутри массивной звезды и преобразовать их в все более крупные магнитные структуры, необходимые для создания гиперновых и длинных гамма-всплесков», — сказал Филипп Моста, научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли и первый Автор статьи. «Это запускает процесс».«Люди верили, что этот процесс может сработать», — сказал он. «Теперь мы действительно показываем это».Ключом к этому успеху стало компьютерное моделирование с более высокой детализацией, чем когда-либо прежде, хотя для этого потребовалось 130 000 компьютерных ядер, работающих параллельно в течение двух недель на Blue Waters, одном из самых мощных суперкомпьютеров в мире.
Он расположен в Национальном центре приложений суперкомпьютеров в Университете штата Иллинойс в Урбана-Шампейн.Гиперновые звезды производят тяжелые элементыАстрофизики, такие как Моста, пытаются улучшить свои модели того, что делают звезды, когда они достигают конца своей жизни, надеясь объяснить странные космические явления — такие как гамма-всплески и гиперновые звезды, которые вспыхивают в 10 раз ярче, чем средняя сверхновая, — и понимают как производятся некоторые из очень тяжелых элементов, встречающихся в природе.«Теперь у нас есть первый прототип, который позволяет нам задать вопрос: как создаются тяжелые элементы при этих мощных взрывах сверхновых?» сказал Элиот Кватерт, профессор астрономии Калифорнийского университета в Беркли, который не принимал участия в исследовании.
"Прорыв здесь заключается в том, что команда Филиппа начинает с относительно слабого магнитного поля и показывает, что оно формируется как очень сильное и крупномасштабное когерентное магнитное поле того типа, который обычно предполагается, когда люди создают модели гамма-лучей. взрывается, — сказал Кватерт.Ярчайшие события во вселенной
Гамма-всплески настолько короткие и энергичные — длинные всплески длятся около 100 секунд с длинами волн далеко за пределами видимого или ультрафиолетового диапазонов — что они не наблюдались до 1967 года спутниками, ищущими доказательства испытаний ядерной бомбы. Большинство из них находятся на расстоянии миллиардов световых лет в далеких галактиках, поэтому тот факт, что мы можем их вообще видеть, означает, что они являются одними из самых ярких событий во Вселенной.Наблюдения за последние 50 лет заставили астрономов предположить, что всплески возникают во время чрезвычайно редких взрывов массивных звезд — звезд, в 25 раз превышающих массу Солнца или больше, — но подробности того, как такая гиперновая звезда генерирует сфокусированные лучи гамма-лучи все еще разрабатываются.
Эти звездные взрывы обычно классифицируются как широкополосные сверхновые типа Ic.Считается, что для этих взрывов необходимы струи, удерживаемые сверхсильными магнитными полями, но одним из недостающих звеньев было то, как звезда с нормальным магнитным полем, например, у Солнца, могла усилить его на квадриллион. (1015) раз. Одна из возможностей состоит в том, что энергия, запасенная при вращении коллапсирующей звезды, может быть преобразована в магнитную энергию. Эти сильные магнитные поля также могут иметь решающее значение для ускорения заряженных частиц до скорости и энергии, способных генерировать гамма-лучи.
«Мы ожидаем, что лишь небольшая часть звезд будет вращаться достаточно быстро перед коллапсом, чтобы объяснить периоды вращения пульсаров в миллисекунды», — сказал соавтор Кристиан Отт, профессор теоретической астрофизики в Калифорнийском технологическом институте. «Но если звезда вращается так быстро, тогда во вращении будет много энергии. Проблема заключалась в том, как извлечь ее и бросить во взрыв».
Создание сверхсильных магнитных полейСверхновая с коллапсом ядра возникает, когда синтез водорода в ядре, который питает звезды на протяжении большей части их жизни, прекращается после того, как весь водород израсходован, и звезда начинает плавить гелий, а затем углерод и кислород.
Когда звезда наконец объединяет все эти элементы в железо, синтез полностью прекращается, и давление в ядре звезды больше не может поддерживать гравитационный вес окружающего материала.В течение одной секунды внутренняя звезда в радиусе около 1500 километров коллапсирует до нейтронной звезды диаметром от 10 до 15 километров, содержащей массу около 1,4 солнца. Это создает движущуюся наружу ударную волну, которая проникает во внешние слои звезды. Когда внутренняя звезда коллапсирует в нейтронную звезду, ее вращение увеличивается точно так же, как фигуристы, занимающиеся пируэтом, вращаются быстрее, когда тянутся на руках.
Теоретики пытались объяснить, как массивные вращающиеся звезды генерируют сильные магнитные поля после того, как они коллапсируют в результате процесса, называемого магнитовращательной нестабильностью: слои звезды вращаются с разной скоростью, создавая турбулентность, которая превращает встроенные магнитные поля в трубки магнитного потока шириной в километр. как магнитные вспышки на солнце. Но может ли этот процесс генерировать гораздо более крупномасштабные магнитные поля, необходимые для взрыва?«То, что мы сделали, является первым глобальным моделированием этого явления с чрезвычайно высоким разрешением, которое на самом деле показывает, что вы создаете это большое глобальное поле из чисто турбулентного», — сказал Моста. «Моделирование также демонстрирует механизм формирования магнитаров, нейтронных звезд с чрезвычайно сильным магнитным полем, которое может приводить в движение особый класс очень ярких сверхновых».
Кватерт сравнивает этот процесс с тем, как мелкомасштабная турбулентность в атмосфере Земли сливается в крупномасштабные ураганы.Моста и его коллеги обнаружили, что ключом к этому процессу в быстро вращающейся нейтронной звезде является зона сдвига на расстоянии примерно от 15 до 35 километров от звезды, где разные слои вращаются с очень разными скоростями, вызывая достаточно большую турбулентность, чтобы создать динамо-машину.Моста работает над симуляциями, которые охватывают более 10 миллисекунд эволюции звезды после коллапса или «после отскока», чтобы лучше понять, как коллапсирующая материя и истекающий материал взаимодействуют с закрученными магнитными полями.Другими соавторами с Мостой и Оттом являются Дэвид Радис и Люк Робертс из Калифорнийского технологического института в Пасадене, Эрик Шнеттер из Института периметра и Университета Гвельфа в Онтарио, Канада, и Роланд Хаас из Института гравитационной физики Макса Планка в Потсдам-Голме. , Германия.
Это исследование было поддержано Национальным научным фондом (AST-1212170, PHY-1151197, OCI-0905046), Программой стипендий Эйнштейна Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства и Фондом Шермана Фэйрчайлда.