Computercode gibt Astrophysikern die erste vollständige Simulation der letzten Stunden des Sterns

Computercode gibt Astrophysikern die erste vollständige Simulation der letzten Stunden des Sterns

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Anonim

Die genauen Bedingungen in einem weißen Zwergstern in den Stunden, die zu seinem explosiven Ende als Supernova vom Typ Ia führten, sind eines der Rätsel, mit denen Astrophysiker konfrontiert sind, die diese massiven Sternexplosionen untersuchen. Nun hat ein Forscherteam, das sich aus drei Mathematikern des US-Energieministeriums Lawrence Berkeley und zwei Astrophysikern zusammensetzt, die erste Sternensimulation der Stunden vor den größten thermonuklearen Explosionen im Universum erstellt.

In einem Artikel, der in der Oktoberausgabe des Astrophysical Journal veröffentlicht werden soll , beschreiben Ann Almgren, John Bell und Andy Nonaka von der Berkeley Lab Computational Research Division zusammen mit Mike Zingale von der Stony Brook University und Stan Woosley von der University of California, Santa Cruz, das erste -jede dreidimensionale Sternsimulation der Konvektion in einem Weißen Zwerg, die zur Zündung einer Supernova vom Typ Ia führt. Das Projekt wurde vom DOE Office of Science finanziert.

Supernovae vom Typ Ia sind für Astrophysiker von besonderem Interesse, da angenommen wird, dass sie sich überraschend ähnlich sind, was zu ihrer Verwendung als "Standardkerzen" führt, mit denen Wissenschaftler die Expansion des Universums messen. Basierend auf den Beobachtungen dieser massiven Sternexplosionen - eine einzelne Supernova ist so hell wie eine ganze Galaxie - glauben Wissenschaftler, dass sich unser Universum mit zunehmender Geschwindigkeit ausdehnt. Was aber, wenn Supernovae vom Typ Ia nicht immer auf die gleiche Weise explodiert sind? Was ist, wenn sie nicht Standard sind?

"Wir versuchen, etwas sehr Grundlegendes zu verstehen, wie diese Sterne in die Luft jagen, aber es hat Auswirkungen auf das Schicksal des Universums", sagte Almgren.

Das Problem ist, dass Astrophysiker immer noch nicht genau wissen, wie ein Stern dieses Typs explodiert. Im Laufe der Jahre haben mehrere Simulationen versucht, das Problem zu lösen, aber die herkömmlichen Methoden und die verfügbare Supercomputerleistung waren für die Aufgabe nicht ausreichend.

"Nur wenige haben dieses Problem bereits angegangen, weil es als unlösbar galt", sagte Almgren. "Wir mussten die Bedingungen für Stunden simulieren, nicht nur für ein paar Sekunden. Wir führen jetzt Berechnungen durch, die vorher nicht möglich waren."

In den letzten drei Jahren haben Almgren, Bell und Nonaka zusammen mit ihren Mitarbeitern einen Simulationscode namens MAESTRO entwickelt. Der Code simuliert den Massen- und Wärmefluss im Laufe der Zeit und erfordert, dass Supercomputer den gesamten Stern modellieren. Dies ist insofern einzigartig, als es für Prozesse gedacht ist, die mit einer Geschwindigkeit ablaufen, die viel niedriger als die Schallgeschwindigkeit ist. Dadurch kann die Simulation detaillierte Ergebnisse mit viel weniger Rechenzeit als herkömmliche Codes erzielen. Der Ansatz von MAESTRO unterscheidet sich von den herkömmlichen Methoden dadurch, dass die Schallwellen entfernt wurden, wodurch der Code wesentlich effizienter ausgeführt werden kann.

Das Team führte seine Simulationen mit Jaguar, einem Cray XT4-Supercomputer, an der Oak Ridge Leadership Computing Facility in Tennessee durch und verwendete dabei eine Zuweisung im Rahmen des DOE-Programms Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE).

"Die INCITE-Zuweisung für Jaguar war entscheidend, um die erfolgreichen Läufe zu ermöglichen, die zu diesen bahnbrechenden Ergebnissen führten", sagte Woosley, Leiter des SciDAC-Supernova-Projekts, das erfolgreiche Kooperationen wie diese zwischen angewandten Mathematikern und Astrophysikern gefördert hat. "Und die kontinuierliche Unterstützung durch das Department of Energy Office of Science ist entscheidend, um unsere Forschung voranzutreiben."

Die Simulation bot einen wertvollen Einblick in das Ende eines Prozesses, der vor mehreren Milliarden Jahren begann. Eine Supernova vom Typ Ia beginnt als weißer Zwerg, der kompakte Überrest eines massearmen Sterns, der nie heiß genug wurde, um Kohlenstoff und Sauerstoff zu verbinden. Aber wenn ein anderer Stern nahe genug ist, kann der Weiße Zwerg von seinem Nachbarn Masse annehmen ("anwachsen"), bis er eine kritische Grenze erreicht, die als Chandrasekhar-Masse bekannt ist. Irgendwann bauen sich genügend Hitze und Druck auf und der Stern beginnt zu köcheln, ein Prozess, der mehrere Jahrhunderte dauert. Während dieser Siedephase wird die Flüssigkeit in der Nähe der Mitte des Sterns heißer und schwimmfähiger, und die durch den Auftrieb angetriebene Konvektion "schwimmt" die Wärme von der Mitte weg. In den letzten Stunden kann die Konvektion die Hitze nicht schnell genug vom Zentrum wegbewegen, und der Stern wird heißer und schneller. Die Flüssigkeitsströmung wird stärker und turbulenter, aber dennoch erreicht die Temperatur irgendwann im Stern ungefähr 1.000.000.000 Grad Kelvin (ungefähr 1, 8 Millionen Grad F) und entzündet sich. Eine brennende Front bewegt sich dann zunächst langsam durch den Stern, gewinnt dabei aber an Geschwindigkeit. Von der Zündung bis zur Explosion sind es nur wenige Sekunden.

Die Simulationen des Teams zeigen, dass in den frühen Stadien die Bewegung der Flüssigkeit als zufällige Verwirbelungen erscheint. Mit zunehmender Erwärmung in der Mitte des Sterns wandert die Konvektionsströmung jedoch deutlich in den Kern des Sterns auf der einen und auf der anderen Seite, ein als Dipol bekanntes Muster. Die Strömung wird jedoch auch zunehmend turbulenter, wobei die Ausrichtung des Dipols im Inneren des Sterns herumprallt. Während andere auch dieses Dipolmuster gesehen haben, haben die Simulationen mit MAESTRO als erste den vollen Stern in drei Dimensionen eingefangen.

Dies könnte laut dem vom Team verfassten Artikel ein entscheidender Teil unseres Verständnisses für die endgültige Explosion sein. "Da die Berechnungen komplexer geworden sind, ist nur klarer geworden, dass das Ergebnis der Explosion äußerst empfindlich darauf reagiert, wie genau die brennenden Fronten ausgelöst werden."

"Wie aus dem breiten Spektrum der Explosionsergebnisse in der Literatur hervorgeht, sind realistische Anfangsbedingungen ein kritischer Bestandteil der SNe Ia-Modellierung. Nur Simulationen dieser konvektiven Phase können die Anzahl, Größe und Verteilung der anfänglichen Brennpunkte ergeben, die die Flamme auslösen ", schrieb das Team in ihrer Zeitung. "Außerdem sind die anfänglichen turbulenten Geschwindigkeiten im Stern mindestens so groß wie die Flammengeschwindigkeit, sodass eine genaue Darstellung dieser anfänglichen Strömung eine wichtige Komponente für Explosionsmodelle sein kann."

Almgren und Nonaka warnen davor, zu viel in die Ergebnisse einer einzelnen Berechnung einzulesen. Während die in diesem Artikel beschriebene Arbeit - die vierte im Astrophysical Journal über MAESTRO - ein wichtiger Schritt zum Verständnis dieses Problems ist, ist mehr Arbeit erforderlich, um auf die Ergebnisse vertrauen zu können. "Wir müssen die Auswirkungen der Rotation, der Auflösung und der unterschiedlichen ursprünglichen Zusammensetzung des Sterns untersuchen", sagt Zingale. "Aber mit MAESTRO, das jetzt auf den schnellsten Supercomputern von heute läuft, sind wir auf einem guten Weg."

Weitere Informationen: Weitere Informationen zu MAESTRO finden Sie unter: ccse.lbl.gov/Research/MAESTRO/

Quelle: Lawrence Berkeley National Laboratory (Nachrichten: Web)