PopularEditorialNewBest

Як вибухають зорі?

3В закладки

Цей матеріал публікується з нагоди моєї першої річниці реєстрації на сайті. Я давно хотів перекласти для АЦ щось масштабне, тож цей матеріал став мені до нагоди. Оцінюйте та пишіть в коментарях Вашу думку з приводу прочитаного.

Окрему подяку хочу висловити користувачу Roman Sydor за чудове оформлення та допомогу в перекладі графічних матеріалів. Чудово, що у нас є майданчик АЦ для кооперації та поширення знань про космос. Ще краще, що у нас завжди є люди, що можуть допомогти, підказати або виправити. Нагадую, що в АЦ є чудова сторінка на ФБ, де теж говорять про переклади — Alpha Centauri | Колективні космічні переклади українською Тож не буду більше затримувати. Приємного читання!

Симуляція наднової продемонструвала смертельні муки зірок та вирішила 50-річну загадку астрономії.

Художнє бачення наднової 1987А, зображений несиметричний викид матерії зорі. Credit:
ESO/L. Calçada
.

Команда Нанса-Томаса Янка три місяці намагалась підірвати зорю, поки нарешті не отримали бажаний результат. Наче одержимі піроманією, вони спостерігали за своєю симуляцією. Щомиті, плід їх розрахунків та моделювань наближався до свого кінця. Обчислення були настільки масштабними, що суперкопютеру знадобився цілий день, щоб обчислити лише 5 мілісекунд існування зорі.

Наполегливість стала їх зброєю. Попередня спроба створити реалістичну симуляцію закінчилась невдачею. Феєрверк ніяк не вдавався. Цього разу, в 2015, Янка нарешті зміг узріти ударну хвилю, що потрібна для розвитку вибуху. Макет зорі став надновою. «Той моменти, коли ми зрозуміли, що все ОК, став для нас реальністю до якої ми ішли два десятиліття.», — розповідає Янка, астрофізик-теоретик з Інституту астрофізики імені Макса Планка в місті Гархінг, Німеччина. «Зараз ми намагаємось зрозуміти механізм вибуху таких масивних зірок.»

Вже більше півсторіччя, фізики припускають, що жар нейтрино, невловимих часточок з серцевини зорі може бути причиною вибуху зірок. Згідно з цією гіпотезою, ці часточки здатні створити ударний потік, що за секунду викидає більше тепла ніж Сонце за всю свою історію. Це було чудовим припущенням, але довести його було майже неможливо. Вибух зорі – комплексний процес. Його можна аналізувати з погляду різних розділів фізики: загальної теорії відносності, газодинаміки, ядерної та інших галузей фізики. Комп’ютерам не вдавалось відтворити всі ці складові у симуляції. Це стало проблемою. «Якщо вам не вдається відтворити щось», — розповідає Янка, — «ви не розумієте це.»

Зараз помітне зростання обчислюваних потужностей комп’ютерів разом з міцніючим прагнення підкорити собі фізику зірок нарешті дали свої плоди. Симуляція команди Янка стало першою реалістичною 3D моделлю вибуху наднової. Через декілька місяців, конкуруючій команди, що базується в Національній лабораторії Оук-Ридж, штат Теннессі, США, вдалося повторити це досягнення з більш важкою та складною зіркою. На цьому полі зараз багато орачів, відразу декілька команд працюють над 3D симуляціями вибухів зірок. Багато дослідників впевнені, що вже майже підібрали всі компонент необхідні для створення подібних вибухів.

Проте ці починання стикаються з безліччю труднощів. Просторові моделі досі знаходяться на етапі розвитку і зірки в них іноді не в змозі вибухнути. Час також має велике значення. Вибухи зірок звичайне явище для Всесвіту, проте астрономам кортить побачити щось подібне ближче, десь на теренах Чумацького Шляху. Вважається, що 1-2 таких явищ стається кожне сторіччя, тож чекаємо на нього в будь-який час. Коли це станеться, астрономи матимуть змогу побачити не тільки світло зовнішнього шару вибуху, але й залучать новітні детектори для фіксації гравітаційних хвиль та нейтрино, що буде випромінювати ядро зорі. Симуляції створюються не тільки для того, щоб допомогти астрономам скорегувати свої прилади. Їх також використають для аналізу отриманої інформації. «моє прагнення зробити модель настільки складними, щоб коли з’явиться нова наднова, ми були готові до цього.», — каже Ентоні Меццакаппа (Anthony Mezzacappa), керівник команди з Оук-Ридж.

Позаду ударної хвилі

Коли зоря з масою від 8 до 40 мас Сонць завершує своє життя, це супроводжується велетенським вибухом. Вивільняється більше енергії ніж під час розриву квадрильйону атомних боєголовок. «Колапс ядра» трапляється у двох третіх всіх наднових. (Інший тип, відомий як тип Ia, білі карлики вибухають через процес злиття)

Зацікавленість до колапсу ядра наднової з’явилось, ще у кінці 1950-х, коли вчені вперше дійшли до теорії, що ряд хімічних елементів, включно з надважливими для виникнення життя, походять з зірок. Деякі з найтяжчих елементів , на думку вчених, з’являються у розпеченому вогнищі наднової. Вибух розносить їх по космосу і вони стають будівельним матеріалом для інших зірок та планетарних систем.

Астрофізики вважають, що перед вибухом такі зіркі відчувають нестачу водню. Коли нема чого спалювати, стара зірка не може випромінювати достатньо радіації і її ядро починає стискатись під дією гравітації. Легші елементи все більше вплавляються у важчі, але коли, вони починають взаємодіяти з залізним ядром цей процес поступово сповільнюється. Нарешті втративши змогу протистояти гравітації, центр залізного ядра руйнується та за долі секунди стискається у найщільніший з відомих об’єктів, нейтронну зорю.

Після утворення нейтронної зорі, стиснута матерія вдаряється об новоутворену зорю та відбивається у вигляді ударної хвилі, що розповсюджується з центра. Проте відбиття само по собі недостатньо, щоб протистояти руйнуванню матеріалу та виштовхнути зовнішньої оболонки зорі у космос. Без додаткового джерела енергії, цей процес просто зупиняється (див. інфографіка ). «Це недогоряння ставило нас у глухий кут понад 50 років», — каже Янка.

Джерело: H.-Th. Janka Препринт на arxiv (2017). В обробці Roman Sydor.

Розв’язання цієї проблеми та усвідомлення динаміки суміші часточок в серці зорі надзвичайно важливо для розуміння того, як формуються атомні елементи та в якій кількості, розповідає Янка. Моделювання також може допомогти зрозуміти, як вибухатиме зоря у різних середовищах, навіть в таких екзотичних як чорна діра. «Це так і залишається питанням, якщо ми не вивчимо фізику вибуху більш детально,» — впевнений Янка. Існує інша причина, чому моделісти взялися за цю проблему. Шон Кауч, астрофізик-моделіст з Університету штату Мічиган в місті Іст-Лансінг розповідає: «Ви хочете правди? Добре, нам просто дуже подобається підривати все довкола.»

Проте вже більше ніж півсторіччя вчені не можуть зрозуміти, що змушує зорі вибухати. Раніше комп’ютери були не настільки потужні, щоб вирішити таку невловимо-загадкову проблему, розповідає Мар’ям Моджаз, астрофізик Нью–Йоркського університету. «Це одна з найбільш комплексних систем, що ми змогли змоделювати», — коментує вона. Здається, що в цьому процесі кожна дрібниця має свою роль, від вигину простору-часу до частинок нейтрино та поведінки речовини під надвисоким тиском. Шлях до сучасних моделей тривав десятки років і починався від одновимірних (1D) моделей чогось, що трохи нагадувало зірку. Крім того, тоді не існувало чітких пояснень, чому ядра зірок руйнуються та вибухають.

Хоча ці моделі були досить приблизними, вони змогли виявити перший та надважливий фактор руйнації ядра: нейтрино, що утворюються в процесі взаємодії елементарних частинок в новоутвореній нейтронній зорі. Нейтрино, що майже не мають маси, практично не взаємодіють з іншими часточками. Але у 1966, теоретики підрахували, що навіть незначна кількість енергії поглинутої щільною матерією навколо ядра буде достатньо для відновлення ударної хвилі. Доказом правильності цієї ідеї став випадок, що трапився у 1982. Фізик моделіст, Джеймс Вілсон працюючи в Ліверморській національній лабораторії в місті Лівермор, штат Каліфорнія, залишив симуляцію на ніч, деякі кажуть, що навіть випадково. Наступного дня, коли він з запізненням приїхав на роботу, то побачив, що нейтронна зоря виділила достатньо нейтрино, щоб розігріти матерію позаду ударної хвилі та виштовхнути її у зовнішні шари зорі. До цього фізики не могли навіть припустити, що ударну хвилю можна відновити. «Якби модель зупинили, ми б не побачили, що це можливо», — розповідає Меццакаппа.

Нагрівання нейтрино стало фокусом більшості наступних досліджень, проте чим більше зорі брали вчені та більш деталізованими ставали моделі, тим рідше у моделістів вибухали зірки. Хоча нейтрино підштовхували зорі до критичної межі, стало зрозуміло, що вчені не врахували, щось важливе.

Повний феєрверк

Вчені почали шукати елемент, що може створити такий імпульс в зорі. Перша підказка з’явилась у 1987, коли астрономи спостерігали за надновою в сусідній галактиці, Великій Магеллановій Хмарі. В ті часи, всі зірки в одновимірних моделях були ідеальними сферами, що складаються з концентричних шарів розплавленого матеріалу. Виміряти динаміку їх зміщень можна було лише від центру. Проте, коли вчені досліджували наднову 1987А, вони визначили, що елементи з різних шарів зорі змішались в процесі вибуху. Стало зрозуміло, що змоделювати цей процес в одному вимірі неможливо.

З появою більш потужних комп’ютерів у 1990-х, моделістам вдалося відтворити такі умови в двовимірних (2D) симуляціях. В таких моделях нагрівання нейтрино можна порівняти з полум’ям газової плити, на якій потрібно скип’ятити каструлю води. В симуляціях утворювались конвекційні потоки та звихрення, що збурювали та нагрівали речовину. Це призводило до збільшення тиску між нейтронною зорею та ударною хвилею. Нарешті у 2003 році команда Меццакаппи встановила, що подібні збурення в ударній хвилі можуть різко перерости у колосальні звихрення та обертання речовини. Цей процес називають – стала росту ударної нестабільності (SASI). Він повертає ударну хвилю в протилежний напрямок та допомагає зорі вибухнути.

Тим не менш, фізики були стурбовані тим, що спрощення у двовимірних симуляціях може штучно збільшувати імовірність вибуху. Ці побоювання підтвердились з першими, ще досить грубими, тривимірними (3D) моделями у ранніх 2010-х. Зорі знову «неохоче вибухають», розповідає Берхард Мюллер фізик-моделіст з Університету Монаша в Мельбурні, Австралія, учасник команди Янка до 2014. Лише з появою швидких суперкомп’ютерів у 2012, дослідникам вдалося зібрати разом все, що вони знають про ядерну фізику, фізику частинок та загальну теорію відносності та нарешті запалити 3D зорі.

Всі наші досягнення посилили впевненість, що нагрівання нейтрино, конвекція та коливання SASI – головні фактори, що дозволяють зорі вибухнути, пояснює Янка. З 2015 року, команди по всьому світу, як то група в Каліфорнійському інституті технологій (Caltech) в Пасадені, Прістонському університеті, штат Нью-Джерсі, Університеті штату Мічиган та Університеті Фукуока в Японії – всі вони почали працювати над тривимірними моделями. В більшості цих симуляцій зірки вибухали. (шукайте матеріал «Exploding a virtual star»). Тенденцію треба продовжувати змінюючи класи зірок, їх масу та початкові стадії, щоб довести повне усвідомлення та розуміння всіх стадій процесу, але Мюллер не втрачає оптимізму. «Здається нам вдалося наблизитись до розв’язання проблеми з відновленням ударної хвилі», — запевняє він.

Симуляція: T. Melson (Іститут астрофізики Макса Планка, MPA) Візуалізація: Aaron Doering (MPA) та Elena Erastova (Max Planck Computing & Data Facility) Джерело: T. Melson et al. Astrophys. J. 808, L42 (2015). В обробці Roman Sydor.

Інші зберігають скептицизм, стверджуючі, що ударна хвиля легше з’являється в невеликих зірках. Коли команда Янка спробувала підірвати велику 3D зорю у 2015 з масою, що не в 10, а у 20 разів більше за наше Сонце, вони досягли успіху. Проте їм довелось занизити рівень взаємодії нейтрино до найменш можливого, що дозволено в фізиці частинок. Тим самим вони підійшли до гранично можливої похибки. Сучасні симуляції, маючи більш точні початкові умови досі «ходять по тонкому льоду» між вибухом та згасанням. Досі ніхто не може пояснити чому так стається. «В природі, ці об’єкти стабільно вибухають», — розповідає Кауч. «Небажання» вибухнути «може свідчити про те, що ми недостатньо точно відтворюємо фізику або щось пропускаємо».

Щоб вирішити цю проблему, потрібно створювати точніші симуляції, але навіть сучасні суперкоп’ютери, потужність яких, можна порівняти відразу з десятками тисяч домашніх ПК, не можуть швидко виконувати такі завдання. Навіть зі спрощеннями цей процес може тривати місяці. Розвиток суперкомп’ютерів в Сполучених Штатах, Європі та Японії дозволить, в найближчі роки, проводити такі симуляції за тижні. Проте, щоб врахувати всі фізичні особливості в одній симуляції, нам потрібні комп’ютери у 100 разів потужніші ніж сучасні, розповідає Меццакаппа. Такі машини на думку вченого можуть з’явитися, щонайменше, через десятиліття.

Тим часом, фізики працюють над калібруванням власних моделей та дослідженням взаємовпливу трьох основних факторів: нагріванні нейтрино, конвекції та коливаннях SASI. Деякі вчені досліджують, як обертання та вплив магнітних полів можуть сприяти вибуху. Інші фокусуються на побудові більш реалістичних моделей з протуберанцями на поверхні зірок. Порівнювати такі моделі досить складно. Не можна сказати, що у кожної групи своя фізика, але вони використовують різні спрощення, розрядність та геометрію пікселів, що може впливати на кінцевий результат. До того ж, кожна команда люто захищає саме свою конфігурацію. «Я відвідував тематичні конференції. Люди з різних груп буквально б’ються один з одним, стверджуючи, що «мій код краще», — розповідає Моджаз. «Як це можна перевірити? Ніхто з них ніколи не публікує свої коди.»

Зараз групи усвідомили, що для досягнення прогресу, їм треба знайти точки перетину, щоб порівняти свої моделі, розповідає Моджаз. Нове покоління моделістів, таких як: Кауч та Еван О’Коннор зі Стокгольмського університету, першими почали викладати свої коди у відкритий доступ, надихаючи інших зробити так само. Янка виступає за створення списку стандартизованих проблем та чітко визначених початкових умов, які можна використовувати в усіх моделях. «Я думаю це – наступний крок для суспільства, що збільшить надійність отриманих результатів.», — впевнений він.

Головні питання

Головне питання, чи схожі всі ці вибухи на ті, що стаються в природі? Сучасні моделі достатньо комплексні, а комп’ютери потужні для того, щоб змоделювати поводження зорі після відновлення ударної хвилі та періоду, коли вона досягає її поверхні. Ми можемо порівняти форму наднової, її енергію та хімічний склад з реальними зірками та залишками речовини з ядра та зовнішніх шарів.

Проте вивчення світла далеких зір, що наче привид минулого, йшов до нас століттями, не може дати повне уявлення про вибух. «Це як прийти до дерматолога з проблемою серця», — розповідає Кауч. Нейтрино та гравітаційні хвилі, що проходять вільно крізь матерію, допомагають астрономам зазирнути глибоко в надра зорі. В 1987, три детектора нейтрино, впіймали лише 25 частинок, які утворились в надновій 1987А. Десятиліття потому покрашені детектори, такі як IceCube на Південному полюсі та Super-Kamiokande в Японії, можуть впіймати десятки тисяч нейтрино з наднової. Коли вони досягнуть Землі, їх енергія, насиченість та інтенсивність випромінення дозволить визначити масу та розмір нейтронної зорі до та після вибуху. Будь-які збурення SASI спричиняють ріст та падіння рівня нейтрино. Це буде видно в коливаннях сигналу. «Ви буквально можете вставити голову в вибухаючи зорю», — розповідає Мюллер.

Виявлення наднової, це настільки важлива подія, що будь-які роботи на IceCube проводяться без повного відключення детектора. Наймолодшій надновій в нашій галактиці 150 років, але дослідники стверджують, що вибух уже «запізнюється». «Ніхто точне не може сказати, коли це відбудеться, тому потрібно завжди бути готовим до цього.», — каже Янка.

Якщо астрономам пощастить, Лазерна інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (LIGO) в США та обсерваторія Virgo недалеко від Пізи, Італія зможуть зафіксувати вибух, хоча сигнал може бути не настільки чітким, як наприклад, під час злиття чорної діри та нейтронної зорі. Сара Госсан, фізик Каліфорнійського інституту технологій та учасник команди LIGO, впевнена, що симуляції потрібні, щоб точно знайти такий сигнал та правильно його розшифрувати. «Ми можемо створювати моделі на основі спостережень та навпаки», — говорить вона.

Щоб бути готовим до цього Янка та іншим дослідникам потрібно створити десятки різних зір. У жовтні вони почали моделювати особливо складну зорю у 19 мас Сонця в досить реалістичних умовах. Перші результати очікуються вже в липні. Янка не втрачає впевненості: «Ми вже звикли бути терплячими».

Посилання на оригінал

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

57
Войдите, чтобы видеть ещё 33 комментария, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Идейный Пол Атрейдес
Вечность назад

Ну як Вам? Перекладати ще такі матеріали?

Расточительный Юрий Г.
Вечность назад

Чудова стаття. Вітаю з першою річницею на АЦ з щирим побажанням продовжувати гідну справу.

Начинающий Джефф Бизнес
Вечность назад

От, підривники ці моделісти! Я б сірники в них забрав. А то дограються

Показать скрытые комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
If you were unable to log in, try this link.