Waarnemingen van een zeldzaam ras van superlichtgevende supernova's - stellaire explosies die 10 tot 100 keer helderder schijnen dan normaal - verbijsteren astronomen. Pas in het afgelopen decennium voor het eerst gespot, wetenschappers staan ​​versteld van de buitengewone helderheid van deze gebeurtenissen en hun explosiemechanismen.

Om de fysieke omstandigheden die een superlichtgevende supernova creëren beter te begrijpen, astrofysici voeren tweedimensionale (2D) simulaties uit van deze gebeurtenissen met behulp van supercomputers in het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) van het Department of Energy en het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ontwikkelde CASTRO-code.

"Dit is de eerste keer dat iemand superlichtgevende supernova's in 2D heeft gesimuleerd; eerdere studies hebben deze gebeurtenissen alleen in 1D gemodelleerd, " zegt Ken Chen, een astrofysicus bij de National Astronomical Observatory of Japan. "Door de ster in 2D te modelleren, kunnen we gedetailleerde informatie vastleggen over vloeistofinstabiliteit en menging die je niet krijgt in 1D-simulaties. Deze details zijn belangrijk om nauwkeurig de mechanismen weer te geven die ervoor zorgen dat de gebeurtenis superlichtgevend is en om hun overeenkomstige waarnemingssignaturen, zoals als lichtkrommen en spectra."

Chen is de hoofdauteur van an Astrofysisch tijdschrift paper gepubliceerd in december 2016. Hij merkt op dat een van de leidende theorieën in de astronomie stelt dat superlichtgevende supernova's worden aangedreven door sterk gemagnetiseerde neutronensterren, magnetars genoemd.

Hoe een ster leeft en sterft, hangt af van zijn massa - hoe zwaarder een ster, hoe meer zwaartekracht het uitoefent. Alle sterren beginnen hun leven met het samensmelten van waterstof tot helium; de energie die vrijkomt bij dit proces ondersteunt de ster tegen het verpletterende gewicht van zijn zwaartekracht. Als een ster bijzonder massief is, zal hij helium blijven samensmelten tot zwaardere elementen zoals zuurstof en koolstof, enzovoort, totdat de kern verandert in nikkel en ijzer. Op dit punt komt er bij fusie geen energie meer vrij en treedt de druk van de elektronendegeneratie in werking en ondersteunt de ster tegen de ineenstorting van de zwaartekracht. Wanneer de kern van de ster zijn Chandrasekhar-massa overschrijdt - ongeveer 1,5 zonsmassa - ondersteunt elektronendegeneratie de ster niet langer. Op dit punt, de kern stort in, neutrino's produceren die de ster opblazen en een supernova creëren.

Deze instorting van de ijzeren kern vindt plaats met zo'n extreme kracht dat het nikkel- en ijzeratomen breekt, een chaotische stoofpot van geladen deeltjes achterlatend. In deze waanzinnige omgeving worden negatief geladen elektronen in positief geladen protonen geschoven om neutrale neutronen te creëren. Omdat neutronen nu het grootste deel van deze kern vormen, het wordt een neutronenster genoemd. Een magnetar is in wezen een soort neutronenster met een extreem krachtig magnetisch veld.

Behalve dat het waanzinnig dicht is - een hoeveelheid materiaal ter grootte van een suikerklontje van een neutronenster zou meer dan 1 miljard ton wegen - draait het ook tot een paar honderd keer per seconde. De combinatie van deze snelle rotatie, dichtheid en gecompliceerde fysica in de kern creëren enkele extreme magnetische velden.

Het magnetische veld kan de rotatie-energie van een neutronenster wegnemen en deze energie omzetten in energetische straling. Sommige onderzoekers geloven dat deze straling een superlichtgevende supernova kan aandrijven. Dit zijn precies de voorwaarden die Chen en zijn collega's met hun simulaties proberen te begrijpen.

"Door een meer realistische 2D-simulatie te doen van superlichtgevende supernova's aangedreven door magnetars, we hopen een meer kwantitatief inzicht te krijgen in de eigenschappen ervan, " zegt Chen. "Tot nu toe, astronomen hebben minder dan 10 van deze gebeurtenissen gezien; naarmate we meer vinden, kunnen we zien of ze consistente eigenschappen hebben. Als ze dat doen en we begrijpen waarom, we zullen ze kunnen gebruiken als standaardkaarsen om afstanden in het heelal te meten."

Hij merkt ook op dat, omdat sterren van deze massa zich gemakkelijk in de vroege kosmos kunnen vormen, ze zouden enig inzicht kunnen verschaffen in de omstandigheden van het verre heelal.

"Om multidimensionale simulaties van superlichtgevende supernova's te doen, heb je supercomputers nodig (een grote hoeveelheid rekenkracht) en de juiste code (inclusief relevante microfysica). Het stelt een numerieke uitdaging voor dergelijke simulaties voor, dus dit evenement is nog nooit eerder in 2D gemodelleerd, " zegt Chen. "We waren de eersten die het deden omdat we het geluk hadden toegang te hebben tot NERSC-bronnen en de CASTRO-code."