超级计算机模拟揭示了中子星的暴力诞生

作者:段怂

<p>在三维计算机模拟中中子星形成开始后中子星的湍流演变六个时刻(0154,0223,0240,0245,0249和0278秒)蘑菇状气泡是“沸腾”中微子加热的特征气体,同时“SASI”不稳定导致整个中微子加热层(红色)和包络超新星冲击(蓝色)的狂放晃动和旋转运动图像和电影由Elena Erastova和Markus Rampp,RZG科学家在Max制作普朗克研究所使用世界上一些最强大的超级计算机来生成精心设计的计算机模拟,显示中子星的暴力诞生马克斯普朗克天体物理研究所的一组研究人员进行了迄今为止最昂贵,最精细的计算机模拟研究坍缩恒星中心的中子星具有前所未有的精确度这些世界上第一个三维模型w对所有重要物理效应的详细处理证实,当恒星物质向中心落下时,会出现极端剧烈,极不对称的晃动和螺旋运动</p><p>模拟的结果因此支持对恒星所涉及的动力过程的基本认知</p><p>爆炸作为超新星恒星的质量超过我们太阳质量的八到十倍,结束了巨大的爆炸,其中恒星气体以巨大的力量被驱逐到周围的空间这样的超新星属于最强大和最明亮的现象</p><p>宇宙并且能够在整个星系中徘徊数周它们是化学元素的宇宙起源,如碳,氧,硅和铁,地球和我们的身体由其构成,并且在数百万年的大质量恒星中繁殖或新星融合在恒星爆炸中,超新星也是中子星的诞生地,那些异常奇特的,紧凑的恒星残骸,其中大约15倍的太阳质量被压缩成直径为慕尼黑的球体这种情况发生在几分之一秒内,当恒星核心由于其自身质量的强烈重力而内爆时,灾难性崩溃仅在密度停止时才会发生原子核 - 在立方体中巨大的3亿吨 - 被超过然而,什么会导致恒星的破坏</p><p>如何将恒星核心的内爆逆转为爆炸</p><p>确切的过程仍然是一个深入研究的问题根据最受欢迎的情况,中微子,神秘的基本粒子,发挥关键作用这些中微子在坍塌的恒星核心和新生的极端温度和密度下产生和辐射的数量巨大中子星像加热器的热辐射一样,它们加热热中子星周围的气体,因此可以“点燃”爆炸</p><p>在这种情况下,中微子将能量泵入恒星气体并产生压力,直到冲击波加速以扰乱超新星中的明星但这个理论想法真的有效吗</p><p>它是否是驱动爆炸的神秘机制的解释</p><p>不幸的是(或幸运的是!)爆炸恒星中心的过程无法在实验室中重现,许多太阳质量的不透明恒星气体掩盖了我们对超新星深层内部的看法</p><p>因此,研究强烈依赖于大多数复杂和具有挑战性的计算机模拟,其中解决了复杂的数学方程,描述了恒星气体的运动以及在坍缩恒星核心的极端条件下发生的物理过程</p><p>对于这项任务,使用了最强大的现有超级计算机,但仍然可以进行直到最近才对这些计算进行根本性和粗略的简化例如,如果将中微子的关键效应包括在一些详细的处理中,计算机模拟只能在两个维度上进行,这意味着模型中的恒星被认为具有围绕轴的人工旋转对称http:// youtu是/ 8BLiCZISwLY得益于Rechenzentrum Garching(RZG)的支持,开发了一个特别高效和快速的计算机程序,访问最强大的超级计算机,以及近1.5亿处理器小时的计算机时间奖励,这是迄今为止最大的欧洲联盟的“欧洲先进计算伙伴关系(PRACE)”倡议,加利福尼亚马克斯普朗克天体物理学研究所(MPA)的研究人员团队现在可以首次模拟三维坍缩恒星的过程</p><p>所有相关物理学的复杂描述“为此目的,我们在并行模式下使用了近16,000个处理器核心,但仍然只有一个模型运行需要大约45个月的连续计算”,博士生弗洛里安·汉克说,他执行了模拟只有两个计算欧洲的中心能够在如此长的时间内提供足够强大的机器,即在TrèsGrandCenter的CURIE de calcul(TGCC)du巴黎附近的CEA和慕尼黑Leibniz-Rechenzentrum(LRZ)的SuperMUC / Garching在研究人员掌握了精华之前,必须分析和可视化许多太字节的模拟数据(1TB是千亿字节)</p><p>他们的模型运行他们看到的东西引起了兴奋和惊讶恒星的气体不仅表现出剧烈的冒泡和沸腾,而是由中微子加热驱动的特征性上升的蘑菇状羽流,与沸水中观察到的非常相似(这个过程)被称为对流的科学家们还发现了强大的大型晃动运动,这些运动暂时转换为快速,强烈的旋转运动</p><p>这种行为之前已为人所知,并被命名为“常规吸积冲击不稳定”,或SASI这一术语表达了这样一个事实:超新星冲击波的初始球形度是自发破裂的,因为震动会产生大振幅,脉动不对称最初小的,随机的种子扰动的气候生长到目前为止,这只是在简化和不完整的模型模拟中发现的“我的同事Thierry Foglizzo在巴黎附近的CEA-Saclay服务天体物理学已经获得了对生长的详细了解这种不稳定的条件“,研究小组负责人Hans-Thomas Janka解释说</p><p>”他已经构建了一个实验,其中圆形水流中的水力跳跃表现出脉动不对称,类似于坍塌物体中的冲击前沿</p><p>超新星核心“这种现象被命名为”SWASI“(”冲击不稳定的浅水模拟“)并且允许人们通过相对简单且廉价的桌子尺寸实验装置展示垂死恒星深处内部的动力过程,当然没有考虑到中微子加热的重要影响因此,许多天体物理学家一直对这种不稳定性持怀疑态度确实发生在倒塌的恒星中Garching团队现在可以毫不含糊地首次证明SASI在迄今为止最现实的计算机模型中也发挥着重要作用“它不仅控制超新星核心的质量运动,而且还强加了特征关于中微子和引力波发射的特征,对于未来的银河超新星来说是可测量的</p><p>此外,它可能导致恒星爆炸的强烈不对称,在此过程中新形成的中子星将受到大的踢和旋转“,团队成员BernhardMüller描述了超新星核心中这种动态过程的最重要后果研究人员现在计划更详细地探索与SASI相关的可测量效应并加强他们对相关信号的预测</p><p>此外,他们计划执行更多更长时间模拟以了解不稳定性如何与中微子加热一起发挥作用并提高效率后者的目标是最终澄清这个阴谋是否是长期搜索的机制,触发超新星爆炸,从而留下中子星作为紧凑的残余出版物:PDF研究副本:来源:马克斯普朗克研究所图片:埃琳娜Erastova和Markus Rampp,....