Även om intensiva magnetfält länge har ansetts vara orsaken till de mest kraftfulla supernoverna, har astrofysiker skapat en datamodell av magnetfältet, vilket visar vad som händer inom en döende stjärna innan det blir ett rymdmonster.
När massiva stjärnor dör, exploderar de. Men ibland exploderar sådana stjärnor väldigt starkt och producerar en av de mest kraftfulla explosionerna i det observerbara universum.
När en massiv stjärna drar ut sin tillförsel av vätebränsle orsakar stark tyngdkraft inuti kärnan en gradvis fusion av dess mer massiva element. På en kosmisk skala är denna process snabb. Men så snart fusionen med järn inträffar, slutar processen plötsligt. Termonukleära reaktionen i kärnan stannar, och tyngdkraften strävar efter att helt förstöra den.
Inom bara en sekund är stjärnans kärna kraftigt komprimerad och minskar i diameter från 1 000 till 10 mil, vilket leder till framväxten av verkligt gigantiska chockvågor, vilket följaktligen sönder stjärnan. Kort sagt händer följande: stjärnan avtar sitt bränsle, kompression, chockvågor, massiv explosion. Allt som återstår av det är ett snabbt växande moln varm gas och en liten neutronstjärna snurrar snabbt på den plats där kärnan brukade vara.
Denna modell är förståelig och väl lämpad för att förklara hur massiva stjärnor dör. Men ibland, i universets yttersta hörn, märker astronomer explosioner av stjärnor vars kraft överstiger det som kan förklaras av traditionella supernova-modeller. Sådana explosioner kallas gamma-ray bursts, och det antas att deras utseende orsakas av en särskild ras av supernova, Hypernova. Förutom det faktum att Hypernova är uppkallad efter en skurk från en film baserad på Marvel-serier, är det också ett uttryck för magnetisk intensitet. Kollapsen av kärnan i en massiv stjärna leder inte bara till en snabb ökning av dess densitet. Stjärnan fortsätter att rotera, och som en skridskoåkare, som pressar händerna på sig medan han roterar, börjar kollapsande stjärnens kollapsande kärna att "avlösa" snabbt. Tillsammans med rotationen blir de turbulenta strömmarna i utsläppen av överhettad plasma och stjärnans magnetfält extremt koncentrerade.
Hypernova-stjärnan, som bildar 2 gamma-strålar (i konstnärens syn)
Fram till nu ansågs effekterna som orsakades av supernovakärnans kollaps vara tillräckligt väl studerade - teoretiskt men bekräftat av observationer av supernovaer. Men mekanismen för hypernova (och gamma-utbrott) har inte studerats fullständigt fram till den här tiden.
Genom att använda simuleringar på en av de mest kraftfulla superdatorerna på planeten skapade ett internationellt forskargrupp en hypernovakärnmodell under en kollaps, en bråkdel av en sekund efter explosionen. Och vad de upptäckte kan hjälpa till att riva upp mysteriet om gammastrålningsbyte.
Det antas att den höga energin hos gammastrålningsbrott orsakas av något som uppträder i kärnan i en massiv stjärna under sin kollaps och omvandling till en supernova. Något som matar ut materia och energi i motsatta riktningar, bildar två högkoncentrerade (eller kollimerade) strålar som bryter ut från en supernovas magnetiska poler. Dessa strålar är så intensiva att om en av dem riktas till jorden, kommer strålningen från den att ge intrycket att det orsakas av en mycket starkare explosion än explosionen av en vanlig supernova. "Vi försökte hitta den grundläggande mekanismen, huvudverktyget och ta reda på varför en stjärnas fall kan leda till bildandet av sådana strålar", säger Eric Schnetter från Institute of Theoretical Physics i Waterloo, Ontario, som utvecklat en modell för att skapa en simulator av de döende stjärnor.
För att förstå varför dessa jets är så kraftfulla, föreställ dig en dynamitsticka som lagts på marken och en kanonkula placerades på toppen. När dynamiten exploderar kommer det att bli ett högt slag och kanske en liten rökningstratt kvarstår från den. Men kanonkula är osannolikt att flyga långt. Mest sannolikt, hoppa lite upp och glida in i tratten. Men om du lägger samma dynamit i ett metallrör, stäng ena änden och rulla en kanonkula i det öppna. Under explosionen kommer all energi att koncentreras vid rörets öppna ände och kärnan kommer att flyga i hundratals meter.
I analogi med dynamit koncentreras merparten av hypernovas energi i två strålar som ligger inuti magnetiska rören. Därför, när vi ser en stråle riktad mot oss, verkar det vara många gånger ljusare (och kraftfullare) än ljusstyrkan hos dess komponenter skulle vara om en supernova av dess energi släpps ut i alla riktningar. Detta är en gammastrålningsbyte.
Emellertid var processen med bildandet av sådana strålar nästan obegriplig. Men modellering på Blue Waters-superdatorn som ligger vid National Center for Supercomputer Applications vid University of Illinois i Urbana-Champaign, som tog 2 veckor, avslöjade en extremt stark dynamo i rörelse av turbulens, vilket förmodligen är orsaken till allt detta. "Med hjälp av en dynamo faller små magnetiska strukturer in i en massiv stjärna och blir till allt större magnetiska strukturer som är nödvändiga för att bilda hypernovae och långa gammastrålningsburar", säger Phillip Mosta från University of California i Berkeley, den första författaren av studien, publicerade i tidskriften Nature. "Detta startar hela processen."
"Under lång tid trodde man att detta var möjligt. Och nu visade vi det också. "
Att återskapa den småskaliga strukturen hos en döende stjärnas kärna under en kollaps visade forskarna för första gången att en mekanism som kallas "magnetisk rotationsinstabilitet" kan orsaka starka magnetiska förhållanden inuti hypernovakärnan, vilket bidrar till bildandet av kraftfulla strålar.
Olika lager av en stjärna är kända att rotera med olika hastigheter. Även vår sol har differensrotation. När kärnan i en massiv stjärna kollapsar, orsakar differentialrotation stark instabilitet, vilket skapar turbulens som förvandlar magnetfält till rör med kraftfullt magnetflöde. En sådan snabb inriktning längs en linje accelererar stjärnplasmaet, som i sin tur ökar magnetfältets rotation med kvadrillioner (detta är 1 med 15 nollor) gånger. Denna onda cirkel leder till snabb frigöring av material från de magnetiska polerna och utlöser mekanismen för hypernova och gammastrålningsbyte.
Enligt Most, liknar denna situation hur kraftfulla orkaner bildas i jordens atmosfär. Små turbulenta flöden sammanfogar sig i en stor cyklon. Därför kan hypernovan betraktas som en "idealisk storm", där en liten turbulens i kollapsande kärna skapar kraftfulla magnetfält, vilket i sin tur medför lämpliga förhållanden bildandet av intensiva strålkastare. "Vi gjorde den första storskaliga simuleringen av denna process i mycket hög upplösning, vilket visar bildandet av ett stort globalt fält från en exceptionellt turbulent," sa Most. "Simuleringen visar också mekanismen för bildandet av magnetärer och neutronstjärnor med ett mycket starkt magnetfält, vilket kan leda till att en speciell klass av mycket ljus supernova visas."
Även om det är intressant i sig att studera de mest kraftfulla explosionerna i universum, kan denna studie också bidra till att förstå hur några av de tungaste elementen i vårt universum bildades.
