Астрофизики из Калифорнийского университета в Санта-Круз (UCSC) и Университета Миннесоты пришли к такому выводу после запуска ряда суперкомпьютерных симуляций в Национальном вычислительном центре энергетических исследований (NERSC) Министерства энергетики (DOE) и Миннесотском суперкомпьютерном институте. Университет Миннесоты.
Они во многом полагались на CASTRO, сжимаемый астрофизический код, разработанный в Отделе вычислительных исследований (CRD) Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США. Их результаты были недавно опубликованы в Astrophysical Journal (ApJ).Звезды первого поколения особенно интересны, потому что они произвели первые тяжелые элементы или химические элементы, отличные от водорода и гелия.
Умирая, они отправили свои химические создания в космос, проложив путь для последующих поколений звезд, солнечных систем и галактик. С более глубоким пониманием того, как умерли эти первые звезды, ученые надеются получить некоторое представление о том, как появилась Вселенная в том виде, в каком мы ее знаем сегодня.
«Мы обнаружили, что существует узкое окно, в котором сверхмассивные звезды могут полностью взорваться вместо того, чтобы превратиться в сверхмассивную черную дыру — никто никогда не обнаруживал этот механизм», — говорит Ке-Юнг Чен, научный сотрудник UCSC и ведущий автор исследования. Бумага ApJ. «Без ресурсов NERSC нам потребовалось бы намного больше времени, чтобы достичь этого результата.
С точки зрения пользователя, установка работает очень эффективно, и это чрезвычайно удобное место для научных исследований».Симуляторы: что происходит?Чтобы смоделировать жизнь первичной сверхмассивной звезды, Чен и его коллеги использовали одномерный код звездной эволюции под названием KEPLER. Этот код учитывает ключевые процессы, такие как ядерное горение и звездную конвекцию.
И актуально для массивных звезд, фотораспада элементов, рождения электрон-позитронных пар и специальных релятивистских эффектов. Команда также включила общие релятивистские эффекты, которые важны для звезд с массой более 1000 солнечных.Они обнаружили, что первичные звезды с массой от 55000 до 56000 солнечных масс живут около 1,69 миллиона лет, прежде чем станут нестабильными из-за общих релятивистских эффектов, а затем начнут коллапсировать.
Когда звезда коллапсирует, она начинает быстро синтезировать тяжелые элементы, такие как кислород, неон, магний и кремний, начиная с гелия в ее ядре. Этот процесс высвобождает больше энергии, чем энергия связи звезды, останавливая коллапс и вызывая мощный взрыв: сверхновую.Чтобы смоделировать механизмы смерти этих звезд, Чен и его коллеги использовали CASTRO — многомерный сжимаемый астрофизический код, разработанный в лаборатории Беркли учеными Энн Алмгрен и Джоном Беллом. Эти симуляции показывают, что после того, как коллапс обращен вспять, нестабильность Рэлея-Тейлора смешивает тяжелые элементы, образовавшиеся в последние моменты жизни звезды, по всей самой звезде.
Исследователи говорят, что это смешение должно создать отчетливую наблюдательную сигнатуру, которую можно будет обнаружить в предстоящих экспериментах в ближнем инфракрасном диапазоне, таких как Евклид Европейского космического агентства и широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп НАСА.В зависимости от интенсивности сверхновых, некоторые сверхмассивные звезды при взрыве могут обогатить всю свою родительскую галактику и даже некоторые близлежащие галактики элементами от углерода до кремния.
В некоторых случаях сверхновая может даже вызвать вспышку звездообразования в своей родительской галактике, что сделает ее визуально отличной от других молодых галактик.«Моя работа связана с изучением сверхновых очень массивных звезд с использованием новых физических процессов, выходящих за рамки гидродинамики, поэтому я сотрудничал с Энн Альмгрен, чтобы адаптировать CASTRO для множества различных проектов на протяжении многих лет», — говорит Чен. «Перед тем, как запустить моделирование, я обычно думаю о физике, которая нужна мне для решения конкретной проблемы.
Затем я работаю с Энн над разработкой кода и включением его в CASTRO. Это очень эффективная система».Чтобы визуализировать свои данные, Чен использовал инструмент с открытым исходным кодом под названием VisIt, разработанный Хэнком Чайлдсом, бывшим научным сотрудником лаборатории Беркли. «Большую часть времени я делал свои собственные визуализации, но когда мне нужно было что-то изменить или настроить, я отправлял Хэнку электронное письмо, и это было очень полезно».
Чен выполнил большую часть этой работы, когда был аспирантом Миннесотского университета. Он защитил докторскую диссертацию. по физике в 2013 году.