Американские астрофизики смоделировали на компьютере самый яркий процесс во Вселенной -- взрыв сверхновой. Чтобы просчитать катаклизм, компьютерам потребовалось несколько месяцев работы. Зато получилось очень похоже на правду.
Американские астрофизики совершили прорыв в понимании самых ярких, в прямом и в переносном смысле, процессов во Вселенной – сверхновых. Эти катаклизмы, которыми завершается эволюция массивных звезд, в максимуме своего блеска светят ярче целой галактики, однако наблюдаются крайне редко. Энергия, выделяющаяся при таких взрывах – 1050-1051 эрг. По оценкам ученых, взрывы сверхновых происходят раз в несколько сотен лет на каждый триллион звезд. Поэтому остальное время астрономам приходится наблюдать за причудливыми оболочками – остатками взрывов, либо не замеченных с Земли, либо случившихся до эпохи астрономических наблюдений.
Несколько последних десятилетий ученые тщетно пытались создать модель, описывающую коллапс ядра умирающей звезды и последующий за этим взрыв. В основном, трудности были связаны с необходимостью производить сложные и длинные численные подсчеты, которые могут выполнять лишь самые мощные компьютеры. Термоядерные реакции, перенос вещества и энергии – все это требует решения большого числа дифференциальных уравнений в частных производных, аналогичных тем, что исследователи используют при прогнозировании погоды и моделировании климата.
Взрыв с отскоком
По мере выгорания в центре звезды водорода и гелия окружающее вещество начинает падать к центру. Когда масса ядра звезды превышает определенный рубеж (предел Чандрасекара), в нем происходит так называемый взрыв внутрь. «Представьте нечто размером с Солнце, сжатое до размеров Земли. А затем это нечто сжимается до размеров Принстонского университета», -- пояснил Адам Барроуз, профессор астрофизики. Дальнейшие процессы представляются астрономам наиболее интересными. В определенный момент падение вещества в центр звезды прекращается и возникает так называемый отскок. Вещество ядра становится более упругим, во внешние слои начинает распространяться ударная волна, сопровождающаяся выбросом нейтрино. Затем происходит активный сброс вещества в окружающее пространство, а на месте взрыва остается нейтронная звезда.
Взрыв в ЭВМ
Неудачей заканчивались попытки создания даже двумерных моделей взрывов. Но сотрудники Принстонского университета под руководством Джейсона Нордхауса создали модель, которая довольно точно описывает наблюдаемые взрывы сверхновых. Работа ученых опубликована в Astrophysical Journal. Для решения дифференциальных уравнений они задействовали суперкомпьютеры, имеющиеся в Принстонском университете и в Лаборатории в Беркли. Помогла ученым и популярная ныне теория несимметричных взрывов сверхновых. Для просчета трехмерной модели потребовалось несколько месяцев машинного времени. «Это отлично доказывает то, что за неудачи в построении теории сверхновой в последние годы ответственен не недостаток знаний физики, а недостатки в программировании и отсутствие мощных компьютеров, которые могут смоделировать эти процессы в 3-D», -- пояснили ученые.
Ключевым этапом в моделировании стало описание того, как происходит сам отскок, то есть момент, когда падающее на центр вещество начинает двигаться обратно. Так как о том, что происходит в этот момент, ученые судят лишь по потоку выбрасываемого нейтрино, физика процесса остается неясна до сих пор. «Мы не знаем, что приводит к взрыву», -- пояснил Барроуз.
