Weltweit erste 3D-Simulationen enthüllen die Physik exotischer Supernovae

Nach Jahren engagierter Forschung und über 5 Millionen Supercomputer-Rechenstunden hat ein Team die weltweit ersten hochauflösenden 3D-Strahlungshydrodynamiksimulationen für exotische Supernovae erstellt. Diese Arbeit ist gemeldet In Das Astrophysikalische Journal.

Ke-Jung Chen vom Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA) in Taiwan leitete ein internationales Team und nutzte die leistungsstarken Supercomputer des Lawrence Berkeley National Laboratory und des National Astronomical Observatory of Japan, um den Durchbruch zu erzielen.

Supernova-Explosionen sind das spektakulärste Ende massereicher Sterne, da sie ihren Lebenszyklus auf selbstzerstörerische Weise beenden und augenblicklich eine Helligkeit freisetzen, die der von Milliarden Sonnen entspricht und das gesamte Universum erleuchtet.

Bei dieser Explosion werden auch schwere Elemente aus dem Stern herausgeschleudert, die den Grundstein für die Geburt neuer Sterne und Planeten legen und eine entscheidende Rolle bei der Entstehung des Lebens spielen.

Supernovae sind ein zentrales Thema der modernen Astrophysik, da sie zahlreiche wichtige astronomische und physikalische Fragen sowohl in der Theorie als auch in der Beobachtung umfassen und einen erheblichen Forschungswert haben.

Im letzten halben Jahrhundert hat die Forschung zu einem relativ umfassenden Verständnis von Supernovae geführt. Allerdings bringen die jüngsten groß angelegten Supernova-Durchmusterungsbeobachtungen viele ungewöhnliche Sternexplosionen (exotische Supernovae) zu Tage, die das bisherige Verständnis der Supernova-Physik in Frage stellen und auf den Kopf stellen.

Unter den exotischen Supernovae sind superleuchtende Supernovae und ewig leuchtende Supernovae die verwirrendsten. Die Helligkeit superluminöser Supernovae ist etwa 100-mal so groß wie die normaler Supernovae, die ihre Helligkeit normalerweise nur einige Wochen bis einige Monate lang beibehalten.

Im Gegensatz dazu können ewig leuchtende Supernovae ihre Helligkeit mehrere Jahre oder sogar länger beibehalten. Noch erstaunlicher ist, dass einige exotische Supernovae unregelmäßige und intermittierende Helligkeitsschwankungen aufweisen, die an brunnenartige Eruptionen erinnern. Diese eigenartigen Supernovae könnten der Schlüssel zum Verständnis der Entwicklung der massereichsten Sterne im Universum sein.

Die Ursprünge dieser exotischen Supernovae sind noch nicht vollständig geklärt, aber Astronomen gehen davon aus, dass sie aus ungewöhnlich massereichen Sternen entstehen könnten. Bei Sternen mit Massen zwischen dem 80- und 140-fachen der Sonnenmasse kommt es am Ende ihres Lebens zu Kohlenstofffusionsreaktionen im Kern.

Bei diesem Vorgang können hochenergetische Photonen Elektron-Positron-Paare erzeugen, die im Kern Pulsationen auslösen und zu mehreren heftigen Kontraktionen führen. Diese Kontraktionen setzen große Mengen an Fusionsenergie frei und lösen Explosionen aus, die zu großen Eruptionen in den Sternen führen. Diese Eruptionen selbst können normalen Supernova-Explosionen ähneln. Wenn Materialien aus verschiedenen Eruptionsperioden kollidieren, können darüber hinaus Phänomene entstehen, die superluminösen Supernovae ähneln.

Derzeit ist die Zahl solch massereicher Sterne im Universum relativ gering, was mit der Seltenheit eigenartiger Supernovae übereinstimmt. Daher vermuten Wissenschaftler, dass Sterne mit Massen zwischen dem 80- und 140-fachen der Sonnenmasse mit hoher Wahrscheinlichkeit die Vorläufer eigenartiger Supernovae sind. Die instabilen Entwicklungsstrukturen dieser Sterne machen ihre Modellierung jedoch zu einer großen Herausforderung, und aktuelle Modelle beschränken sich hauptsächlich auf eindimensionale Simulationen.

Allerdings wurden bei den bisherigen eindimensionalen Modellen gravierende Mängel festgestellt. Supernova-Explosionen erzeugen erhebliche Turbulenzen, und Turbulenzen spielen eine entscheidende Rolle für die Explosion und Helligkeit von Supernovae. Dennoch sind eindimensionale Modelle nicht in der Lage, die Turbulenzen von Grund auf zu simulieren. Diese Herausforderungen haben ein tiefes Verständnis der physikalischen Mechanismen hinter exotischen Supernovae in der aktuellen theoretischen Astrophysik verhindert.

Diese hochauflösende Simulation von Supernova-Explosionen stellte immense Herausforderungen dar. Mit zunehmendem Umfang der Simulation wurde es immer schwieriger, eine hohe Auflösung aufrechtzuerhalten, was die Komplexität und den Rechenaufwand erheblich erhöhte und gleichzeitig die Berücksichtigung zahlreicher physikalischer Prozesse erforderte.

Ke-Jung Chen betonte, dass der Simulationscode ihres Teams Vorteile gegenüber anderen konkurrierenden Gruppen in Europa und Amerika habe. Bisherige relevante Simulationen beschränkten sich hauptsächlich auf eindimensionale und wenige zweidimensionale Flüssigkeitsmodelle, während bei exotischen Supernovae mehrdimensionale Effekte und Strahlung eine entscheidende Rolle spielen, die die Lichtemissionen und die Gesamtdynamik der Explosion beeinflussen.

Simulationen der Strahlungshydrodynamik berücksichtigen die Strahlungsausbreitung und ihre Wechselwirkungen mit Materie. Dieser komplizierte Prozess des Strahlungstransports macht die Berechnungen außerordentlich anspruchsvoll, wobei die Rechenanforderungen und -schwierigkeiten viel höher sind als bei Flüssigkeitssimulationen.

Aufgrund der umfangreichen Erfahrung des Teams in der Modellierung von Supernova-Explosionen und der Durchführung groß angelegter Simulationen; Es ist ihnen endlich gelungen, die weltweit ersten dreidimensionalen Strahlungshydrodynamiksimulationen exotischer Supernovae zu erstellen.

Die Ergebnisse des Forscherteams deuten darauf hin, dass das Phänomen intermittierender Eruptionen in massereichen Sternen ähnliche Eigenschaften wie Supernovae mit mehreren dunkleren Sternen aufweisen kann. Wenn Materialien aus verschiedenen Eruptionsperioden kollidieren, können etwa 20–30 % der kinetischen Energie des Gases in Strahlung umgewandelt werden, was das Phänomen der überleuchtenden Supernovae erklärt.

Darüber hinaus führt der Strahlungskühlungseffekt dazu, dass das ausgebrochene Gas eine dichte, aber ungleichmäßige dreidimensionale Schichtstruktur bildet, und diese Schicht der Schicht wird zur Hauptquelle der Lichtemission in der Supernova. Ihre Simulationsergebnisse erklären effektiv die Beobachtungsmerkmale der oben erwähnten exotischen Supernovae.

Durch die hochmodernen Supercomputersimulationen macht diese Studie bedeutende Fortschritte bei der Gewinnung von Einblicken in die Physik exotischer Supernovae. Mit dem Beginn von Supernova-Durchmusterungsprojekten der nächsten Generation werden Astronomen weitere exotische Supernovae entdecken und so unser Verständnis der Endstadien gewöhnlich massereicher Sterne und ihrer Explosionsmechanismen weiter verbessern.