Новый взгляд на предсмертные муки сверхновых
Мощная трехмерная модель раскрывает тайну предсмертной агонии сверхновых звезд, чьи взрывы затмевают целые галактики и усеивают Вселенную множеством элементов, без которых была бы невозможна жизнь на Земле. Модель Дэвида Арнетта (W. David Arnett), профессора астрофизики Университета Аризоны, показывает, как бурное перемешивание элементов в недрах звезд заставляет их расширяться, сжиматься и выплевывать вещество – до момента окончательной детонации.
Арнетт одним из первых в мире занялся моделированием физических процессов внутри звезд. Его интерес к вихревому движению зародился в 1987 году, когда вспыхнула яркая сверхновая 1987A – она располагалась в одной из ближайших галактик, и увидеть ее можно было невооруженным взглядом.
Звезда эта озадачила астрономов, вспоминает Арнетт, поскольку выброшенное ее взрывом вещество, кажется, смешивалось с материей, изверженной раньше. Существующие на тот момент модели не могли объяснить этот факт.
Что показали предыдущие модели
Считалось, что звезды состоят из ряда концентрических кругов: тяжелые элементы (железо, кремний) располагаются в центре, а легкие (углерод, гелий и кислород) – ближе к поверхности. Более тяжелые элементы притягивают легкие, что сжимает звезду, повышая давление в ее недрах и поднимая температуру до уровня, когда создаются нейтрино.
«Выстреливая» из звезды, эти частицы берут с собой энергию. В норме отток энергии из горячего тела должен охладить его. Но в данном случае утраченная энергия уменьшает способность легких газов сопротивляться притяжению ядра. И звезда, вместо того, чтобы охлаждаться, еще больше сжимается. «Она нагревается и сгорает все быстрее, создавая всё больше нейтрино, пока процесс окончательно не разгоняется», - говорит Арнетт.
Астрофизики пришли к такой теории, проведя анализ света и радиоактивного излучения сверхновых, и потом создав модели их физических процессов. Эти модели – очень сложные и громоздкие, и для запуска их на суперкомпьютерах ученым приходится упрощать их – до 1-2 измерений (и строя предположения относительно поведения вещества в остальных измерениях). В итоге получается, что один процесс мягко переходит в другой.
Чем отличается новая модель
Трехмерные модели Арнетта показали нечто совершенно иное – бурные, кипящие вихрями недра звезды, выплевывающие «останки» вплоть до финального взрыва: словно вода, переливающаяся через край кипящего котелка.
«У нас все те же концентрические круги, тяжелые элементы в середине и легкие наверху –но кто-то будто опустил в котел поварешку и размешал всё. Чем ближе к моменту взрыва, тем больше внутренние потоки перемешивают вещество, вынуждая звезду “дергаться” и выплевывать вещество, вплоть до окончательного катаклизма», - рассказывает Арнетт.
«Это-то мы и видим в останках сверхновых [кольца тяжелых и легких элементов, образующие туманности вокруг бывших сверхновых звезд]. Выбросы звездного вещества разного возраста смешиваются. Другие модели не в состоянии объяснить этот факт», - добавил Арнетт. escortzone
Модель Арнетта опирается на улучшенные данные и более мощные суперкомпьютеры. «На машинах, с которыми я работал в 1970-е годы, прогонка этих моделей заняла бы сорок лет. Они были слабее моего смартфона», - говорит ученый.
Исследователи сверхновых страдают от дефицита информации – такие звезды вспыхивают чрезвычайно редко, и найти их очень нелегко. Но в последние десять лет такие малые обсерватории, как Телескоп автоматического получения изображений Кацмана (Katzman Automatic Imaging Telescope, KAIT) и Фабрика сверхновых Паломар (Palomar Supernova Factory) регулярно прочесывают звездное небо с помощью сложной электроники, выискивая минимальные изменения яркости, которые могу указать на вспышку сверхновой. Затем на такой участок направляют более мощные телескопы. В итоге астрофизики узнали гораздо больше о смерти звезд.
«Это не медленное угасание и наступление ночи – это борьба. Это разбрызгивание и извержение вещества. Так продолжается несколько лет: слабые события-предвестники, несколько пиков и, наконец, большой взрыв. Наверное, для объяснения всего этого нам потребуется более тонкая и сложная теория взрывов», - заключает Арнетт.
Исследование представлено в журнале AIP Advances.
По материалам пресс-релиза Американского физического общества.
Артём Космарский nauka21vek.ru