Voor het grootste deel van de 20e eeuw, astronomen hebben de hemel afgezocht naar supernova's - de explosieve dood van massieve sterren - en hun overblijfselen op zoek naar aanwijzingen over de voorouder, de mechanismen waardoor het explodeerde, en de zware elementen die daarbij ontstaan. In feite, deze gebeurtenissen creëren de meeste kosmische elementen die nieuwe sterren vormen, sterrenstelsels, en leven.

Omdat niemand een supernova van dichtbij kan zien, onderzoekers vertrouwen op supercomputersimulaties om hen inzicht te geven in de fysica die het evenement doet ontbranden en aandrijven. Nu voor de eerste keer ooit, een internationaal team van astrofysici simuleerde de driedimensionale (3-D) fysica van superlichtgevende supernova's - die ongeveer honderd keer helderder zijn dan typische supernova's. Ze bereikten deze mijlpaal met behulp van de CASTRO-code van Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en supercomputers van het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Een paper waarin hun werk werd beschreven, werd gepubliceerd in Astrofysisch tijdschrift .

Astronomen hebben ontdekt dat deze superlichtgevende gebeurtenissen plaatsvinden wanneer een magnetar - het snel ronddraaiende lijk van een massieve ster waarvan het magnetische veld biljoenen keren sterker is dan dat van de aarde - zich in het centrum van een jonge supernova bevindt. De straling die vrijkomt door de magnetar versterkt de helderheid van de supernova. Maar om te begrijpen hoe dit gebeurt, onderzoekers hebben multidimensionale simulaties nodig.

"Om 3D-simulaties te doen van door magnetar aangedreven superlichtgevende supernova's, je hebt veel supercomputerkracht en de juiste code nodig, een die de relevante microfysica vastlegt, " zei Ken Chen, hoofdauteur van het artikel en een astrofysicus aan het Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA), Taiwan.

Hij voegt eraan toe dat de numerieke simulatie die nodig is om de vloeiende instabiliteiten van deze superlichtgevende gebeurtenissen in 3D vast te leggen, zeer complex is en veel rekenkracht vereist. daarom heeft niemand het eerder gedaan.

Vloeistofinstabiliteiten komen overal om ons heen voor. Bijvoorbeeld, als je een glas water hebt en er wat kleurstof op doet, de oppervlaktespanning van het water wordt onstabiel en de zwaardere kleurstof zinkt naar de bodem. Omdat twee vloeistoffen langs elkaar bewegen, de fysica van deze instabiliteit kan niet in één dimensie worden gevat. Je hebt een tweede of derde dimensie nodig, loodrecht op de hoogte om alle instabiliteit te zien. Op kosmische schaal, vloeistofinstabiliteiten die leiden tot turbulentie en vermenging spelen een cruciale rol bij de vorming van kosmische objecten zoals sterrenstelsels, sterren, en supernova's.

"Je moet natuurkunde vastleggen op verschillende schalen, van heel groot tot heel klein, in extreem hoge resolutie om astrofysische objecten zoals superlichtgevende supernova's nauwkeurig te modelleren. Dit vormt een technische uitdaging voor astrofysici. We hebben dit probleem kunnen oplossen met een nieuw numeriek schema en enkele miljoenen supercomputeruren bij NERSC, " zei Chen.

Voor dit werk, de onderzoekers modelleerden een supernovarest van ongeveer 15 miljard kilometer breed met een dichte 10 kilometer brede magnetar erin. In dit systeem, de simulaties laten zien dat zich hydrodynamische instabiliteiten vormen op twee schalen in het restmateriaal. De ene instabiliteit zit in de hete bel die wordt geactiveerd door de magnetar en de andere treedt op wanneer de voorwaartse schok van de jonge supernova tegen het omgevingsgas aan ploegt.

"Beide vloeistofinstabiliteiten veroorzaken meer vermenging dan normaal zou gebeuren bij een typische supernova-gebeurtenis, wat aanzienlijke gevolgen heeft voor de lichtkrommen en spectra van superlichtgevende supernova's. Niets van dit alles zou zijn vastgelegd in een eendimensionaal model, " zei Chen.

Ze ontdekten ook dat de magnetar calcium- en siliciumelementen die werden uitgeworpen door de jonge supernova kan versnellen tot snelheden van 12, 000 kilometer per seconde, die hun verbrede emissielijnen verklaren in spectrale waarnemingen. En dat zelfs energie van zwakke magnetars elementen uit de ijzergroep kan versnellen, die zich diep in de supernovarest bevinden, tot 5, 000 tot 7, 000 kilometer per seconde, wat verklaart waarom ijzer vroeg wordt waargenomen in supernova-gebeurtenissen met kerninstorting, zoals SN 1987A. Dit is al lang een mysterie in de astrofysica.

"Wij waren de eersten die een superlichtgevend supernovasysteem nauwkeurig in 3D modelleerden, omdat we het geluk hadden toegang te hebben tot NERSC-supercomputers, "zei Chen. "Deze faciliteit is een uiterst geschikte plaats om geavanceerde wetenschap te doen."