Es ist eines der intensivsten und gewalttätigsten Ereignisse im Weltraum - eine Supernova. Mithilfe ausgefeilter Computersimulationen konnten sie dreidimensionale Modelle erstellen, die die physikalischen Effekte zeigen - intensive und heftige Bewegungen, die auftreten, wenn Sternmaterie nach innen gezogen wird. Es ist ein kühner, neuer Blick auf die Dynamik, die entsteht, wenn ein Stern explodiert.
Wie wir wissen, sind Sterne, die die acht- bis zehnfache Masse der Sonne haben, dazu bestimmt, ihr Leben in einer massiven Explosion zu beenden. Die Gase werden mit unglaublicher Kraft in den Weltraum geblasen. Diese katastrophalen Ereignisse gehören zu den hellsten und mächtigsten Ereignissen im Universum und können eine Galaxie überstrahlen, wenn sie auftreten. Es ist genau dieser Prozess, der lebenswichtige Elemente schafft, wie wir sie kennen - und die Anfänge von Neutronensternen.
Neutronensterne sind ein Rätsel für sich. Diese hochkompakten Sternreste enthalten das 1,5-fache der Sonnenmasse, sind jedoch auf die Größe einer Stadt komprimiert. Es ist kein langsamer Druck. Diese Kompression tritt auf, wenn der Sternkern aus der intensiven Schwerkraft seiner eigenen Masse implodiert… und es dauert nur einen Bruchteil einer Sekunde. Kann irgendetwas es aufhalten? Ja. Es hat eine Grenze. Der Kollaps hört auf, wenn die Dichte der Atomkerne überschritten wird. Das ist vergleichbar mit rund 300 Millionen Tonnen, die zu einem Zuckerwürfel verdichtet sind.
Das Studium von Neutronensternen eröffnet eine völlig neue Dimension von Fragen, die Wissenschaftler gerne beantworten möchten. Sie wollen wissen, was Sternstörungen verursacht und wie die Implosion des Sternkerns zu einer Explosion zurückkehren kann. Derzeit theoretisieren sie, dass Neutrinos ein kritischer Faktor sein könnten. Diese winzigen Elementarteilchen werden während des Supernova-Prozesses in monumentaler Anzahl erzeugt und ausgestoßen und können sehr gut als Heizelemente wirken, die die Explosion entzünden. Laut dem Forscherteam könnten Neutrinos dem Sterngas Energie verleihen, wodurch es Druck aufbaut. Von dort wird eine Stoßwelle erzeugt, die beim Beschleunigen den Stern stören und eine Supernova verursachen kann.
So plausibel es auch klingen mag, Astronomen sind sich nicht sicher, ob diese Theorie funktionieren könnte oder nicht. Da die Prozesse einer Supernova unter Laborbedingungen nicht wiederhergestellt werden können und wir nicht direkt in das Innere einer Supernova sehen können, müssen wir uns nur auf Computersimulationen verlassen. Derzeit können Forscher ein Supernova-Ereignis mit komplexen mathematischen Gleichungen nachbilden, die die Bewegungen des Sterngases und die physikalischen Eigenschaften, die im kritischen Moment des Kernkollapses auftreten, nachbilden. Diese Arten von Berechnungen erfordern die Verwendung einiger der leistungsstärksten Supercomputer der Welt, es war jedoch auch möglich, vereinfachte Modelle zu verwenden, um dieselben Ergebnisse zu erzielen. "Wenn zum Beispiel die entscheidenden Effekte von Neutrinos in eine detaillierte Behandlung einbezogen würden, könnten die Computersimulationen nur in zwei Dimensionen durchgeführt werden, was bedeutet, dass angenommen wurde, dass der Stern in den Modellen eine künstliche Rotationssymmetrie um eine Achse aufweist." sagt das Forschungsteam.
Mit Unterstützung des Rechenzentrums Garching (RZG) konnten Wissenschaftler ein einzigartig effizientes und schnelles Computerprogramm erstellen. Sie erhielten außerdem Zugang zu den leistungsstärksten Supercomputern und einen Computerzeitpreis von fast 150 Millionen Prozessorstunden. Dies ist das größte Kontingent, das bisher von der Initiative „Partnerschaft für fortgeschrittenes Rechnen in Europa (PRACE)“ der Europäischen Union, der Das Forscherteam des Max-Planck-Instituts für Astrophysik (MPA) in Garching konnte nun erstmals die Prozesse in kollabierenden Sternen in drei Dimensionen und mit einer differenzierten Beschreibung aller relevanten Physik simulieren.
„Zu diesem Zweck haben wir fast 16.000 Prozessorkerne im Parallelmodus verwendet, aber ein einzelner Modelllauf dauerte ungefähr 4,5 Monate kontinuierliches Rechnen“, sagt Doktorand Florian Hanke, der die Simulationen durchführte. Nur zwei Rechenzentren in Europa konnten für so lange Zeiträume ausreichend leistungsfähige Maschinen bereitstellen, nämlich CURIE im Très Grand Centre de Calcul (TGCC) du CEA bei Paris und SuperMUC im Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) in München / Garching.
Angesichts von mehreren tausend Milliarden Bytes Simulationsdaten dauerte es einige Zeit, bis die Forscher die Auswirkungen ihrer Modellläufe vollständig verstehen konnten. Was sie jedoch sahen, begeisterte und überraschte sie. Das Sterngas wirkte sehr ähnlich wie gewöhnliche Konvektion, wobei die Neutrinos den Erwärmungsprozess vorantreiben. Und das ist noch nicht alles ... Sie fanden auch starke Schwappbewegungen, die sich vorübergehend in Rotationsbewegungen ändern. Dieses Verhalten wurde bereits zuvor beobachtet und als Standing Accretion Shock Instability bezeichnet. In der Pressemitteilung heißt es: „Dieser Begriff drückt die Tatsache aus, dass die anfängliche Sphärizität der Supernova-Schockwelle spontan unterbrochen wird, da der Schock durch das oszillatorische Wachstum anfänglich kleiner, zufälliger Keimstörungen pulsierende Asymmetrien mit großer Amplitude entwickelt. Bisher wurde dies jedoch nur in vereinfachten und unvollständigen Modellsimulationen gefunden. “
„Mein Kollege Thierry Foglizzo vom Service d'Astrophysique des CEA-Saclay in der Nähe von Paris hat ein detailliertes Verständnis der Wachstumsbedingungen dieser Instabilität erhalten“, erklärt Hans-Thomas Janka, Leiter des Forschungsteams. "Er hat ein Experiment konstruiert, bei dem ein hydraulischer Sprung in einem kreisförmigen Wasserstrom in enger Analogie zur Schockfront in der kollabierenden Materie des Supernova-Kerns pulsierende Asymmetrien aufweist." Bekannt als Flachwasseranalog der Schockinstabilität, kann der dynamische Prozess auf weniger technische Weise demonstriert werden, indem die wichtigen Auswirkungen der Neutrinoerwärmung eliminiert werden - ein Grund, der viele Astrophysiker bezweifeln lässt, dass kollabierende Sterne diese Art von Instabilität durchlaufen könnten. Die neuen Computermodelle können jedoch zeigen, dass die Instabilität des Stehakkretionsschocks ein kritischer Faktor ist.
„Es regelt nicht nur die Massenbewegungen im Supernova-Kern, sondern legt auch charakteristische Signaturen für die Neutrino- und Gravitationswellenemission fest, die für eine zukünftige galaktische Supernova messbar sein werden. Darüber hinaus kann es zu starken Asymmetrien der Sternexplosion kommen, bei denen der neu gebildete Neutronenstern einen großen Kick und Spin erhält “, beschreibt Teammitglied Bernhard Müller die wichtigsten Folgen solcher dynamischer Prozesse im Supernova-Kern.
Sind wir mit der Supernova-Forschung fertig? Verstehen wir alles, was man über Neutronensterne wissen muss? Nicht schwer. Gegenwärtig sind die Wissenschaftler bereit, ihre Untersuchungen zu den messbaren Effekten im Zusammenhang mit SASI fortzusetzen und ihre Vorhersagen der damit verbundenen Signale zu verfeinern. In Zukunft werden sie ihr Verständnis verbessern, indem sie mehr und längere Simulationen durchführen, um aufzuzeigen, wie Instabilität und Neutrinoerwärmung zusammen reagieren. Vielleicht können sie eines Tages zeigen, dass diese Beziehung der Auslöser ist, der eine Supernova-Explosion auslöst und einen Neutronenstern konzipiert.
Quelle der Originalgeschichte: Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Astrophysik.
