Chociaż intensywne pola magnetyczne od dawna są uważane za przyczynę najpotężniejszej supernowej, astrofizycy stworzyli komputerowy model pola magnetycznego, demonstrując, co dzieje się wewnątrz umierającej gwiazdy, zanim zamieni się w kosmicznego potwora.
Kiedy masywne gwiazdy giną, eksplodują. Ale czasami takie gwiazdy eksplodują bardzo silnie i wytwarzają jedną z najpotężniejszych eksplozji w obserwowalnym Wszechświecie.
Kiedy masywna gwiazda wyczerpuje swój zapas paliwa wodorowego, silna grawitacja wewnątrz jądra powoduje stopniowe połączenie jej bardziej masywnych elementów. W skali kosmicznej proces ten jest szybki. Ale jak tylko nastąpi fuzja z żelazem, proces zatrzymuje się nagle. Reakcja termojądrowa w jądrze zatrzymuje się, a siła grawitacji próbuje ją całkowicie zniszczyć.
W ciągu zaledwie jednej sekundy rdzeń gwiazdy zostaje gwałtownie ściśnięty i ma średnicę od 1000 do 10 mil, co prowadzi do powstania naprawdę gigantycznych fal uderzeniowych, które w rezultacie rozrywają gwiazdę. Krótko mówiąc, dzieje się tak: gwiazda wyczerpuje paliwo, kompresję, fale uderzeniowe, masywną eksplozję. Pozostaje z niego szybko rozwijająca się chmura gorącego gazu i maleńka gwiazda neutronowa wirująca szybko w miejscu, w którym kiedyś znajdowało się jądro.
Model ten jest zrozumiały i dobrze nadaje się do wyjaśnienia, jak giną masywne gwiazdy. Ale czasami, w najdalszych zakątkach wszechświata, astronomowie zauważają eksplozje gwiazd, których moc znacznie przekracza moc, którą można wytłumaczyć tradycyjnymi modelami supernowych. Takie eksplozje nazywane są rozbłyskami gamma i uważa się, że ich wygląd jest spowodowany przez specjalną rasę supernowej, Hypernova. Poza tym, że Hypernova nosi imię złoczyńcy z filmu opartego na komiksach Marvela, jest również uosobieniem intensywności magnetycznej. Upadek rdzenia masywnej gwiazdy nie tylko prowadzi do gwałtownego wzrostu jej gęstości. Gwiazda nadal się obraca i, podobnie jak łyżwiarz figurowy, która przy obracaniu się przyciska swoje ręce do siebie, zapadający się rdzeń zapadającej się gwiazdy zaczyna szybko „się rozwijać”. Wraz z rotacją, turbulentne prądy w emisji przegrzanej plazmy i pole magnetyczne gwiazdy stają się niezwykle skoncentrowane.
Gwiazda Hypernova tworząca 2 dżety gamma (w widoku artysty)
Do tej pory efekty spowodowane upadkiem jądra supernowej uważano za wystarczająco dobrze zbadane - teoretycznie, ale potwierdzone obserwacjami supernowych. Jednak mechanizm hipernowirusów (i wybuchów gamma) nie został jeszcze w pełni zbadany.
Wykorzystując symulacje na jednym z najpotężniejszych superkomputerów na świecie, międzynarodowy zespół naukowców stworzył model rdzenia hipernowskiego podczas upadku, ułamek sekundy po wybuchu. To, co odkryli, może pomóc rozwikłać tajemnicę rozbłysków gamma.
Uważa się, że wysoka energia rozbłysków gamma jest spowodowana przez coś, co występuje w rdzeniu masywnej gwiazdy podczas jej zapadania się i transformacji w supernową. Coś, co wyrzuca materię i energię w przeciwnych kierunkach, tworząc dwa silnie skoncentrowane (lub skolimowane) strumienie wybuchające z biegunów magnetycznych supernowej. Dżety te są tak intensywne, że jeśli jedno z nich zostanie skierowane na Ziemię, wówczas emanujące z niego promieniowanie sprawi wrażenie, że jest ono spowodowane znacznie silniejszą eksplozją niż eksplozja zwykłej supernowej. „Próbowaliśmy znaleźć podstawowy mechanizm, główne narzędzie i dowiedzieć się, dlaczego upadek gwiazdy może doprowadzić do powstania takich dżetów” - powiedział Eric Schnetter z Institute for Theoretical Physics w Waterloo, Ontario, który opracował model do tworzenia symulatora umierającego gwiazdy
Aby zrozumieć, dlaczego te odrzutowce są tak potężne, wyobraź sobie dynamitowy kij, który został położony na ziemi i kulę armatnią umieszczono na wierzchu. Gdy wybuchnie dynamit, rozlegnie się głośny huk i być może pozostanie z niego mały lejek do palenia. Ale kula armatnia raczej nie odleci daleko. Najprawdopodobniej trochę podskoczyć i wślizgnąć się do lejka. Ale jeśli umieścisz ten sam dynamit w metalowej rurze, zamkniesz jeden koniec i przetoczysz kulę armatnią w otwartą przestrzeń - podczas eksplozji cała energia zostanie skoncentrowana na otwartym końcu rury, a rdzeń odleci na setki metrów.
Przez analogię z dynamitem większość energii hipernnovy koncentruje się w dwóch strumieniach, które znajdują się wewnątrz magnetycznych „rurek”. Dlatego, gdy widzimy skierowany na nas strumień, wydaje się, że jest on wielokrotnie jaśniejszy (i mocniejszy), niż jasność jego składników, gdyby supernowa jego energii była emitowana we wszystkich kierunkach. To jest rozbłysk gamma.
Jednak proces powstawania takich strumieni był prawie niezrozumiały. Jednak modelowanie na superkomputerze Blue Waters znajdującym się w Narodowym Centrum Zastosowań Superkomputerowych na Uniwersytecie Illinois w Urbana-Champaign, które trwało 2 tygodnie, ujawniło niezwykle silne dynamo wprawiane w ruch przez turbulencje, co prawdopodobnie jest przyczyną tego wszystkiego. „Z pomocą dynamo małe struktury magnetyczne wpadają do masywnej gwiazdy i przekształcają się w coraz większe struktury magnetyczne niezbędne do powstawania hipernowa i długich rozbłysków gamma” - powiedział dr Phillip Mosta z University of California w Berkeley, pierwszy autor opublikowanego badania w czasopiśmie Nature. „To zaczyna cały proces”.
„Przez długi czas uważano, że jest to możliwe. A teraz to pokazaliśmy ”.
Po odtworzeniu struktury rdzenia umierającej gwiazdy w małej skali podczas zapaści naukowcy po raz pierwszy wykazali, że mechanizm zwany „magnetyczną niestabilnością rotacyjną” może powodować silne warunki magnetyczne wewnątrz rdzenia hipernowa, co przyczynia się do powstawania silnych strumieni.
Wiadomo, że różne warstwy gwiazdy obracają się z różnymi prędkościami. Nawet nasze słońce ma różnicową rotację. Kiedy rdzeń masywnej gwiazdy zapada się, rotacja różnicowa powoduje silną niestabilność, powodując turbulencje, które zamieniają pola magnetyczne w rury o silnym strumieniu magnetycznym. Takie szybkie wyrównanie wzdłuż jednej linii przyspiesza plazmę gwiazdową, która z kolei zwiększa obroty pola magnetycznego o kwadryliony (to jest 1 z 15 zerami) razy. To błędne koło prowadzi do szybkiego uwolnienia materiału z biegunów magnetycznych i wyzwala mechanizm hipernowi i rozbłysku gamma.
Według Mosta, sytuacja ta jest podobna do tego, jak potężne huragany tworzą się w atmosferze Ziemi. Małe przepływy burzliwe łączą się w jeden duży cyklon. Dlatego hipernowę można uznać za „idealną burzę”, w której niewielka turbulencja w zapadającym się rdzeniu wytwarza silne pola magnetyczne, które z kolei powodują, w odpowiednich warunkach, tworzenie się intensywnych strumieni materii. „Przeprowadziliśmy pierwszą symulację tego procesu na dużą skalę w bardzo wysokiej rozdzielczości, co pokazuje powstanie dużego globalnego pola z wyjątkowo burzliwego”, powiedział Most. „Symulacja pokazuje także mechanizm powstawania magnetarów i gwiazd neutronowych o bardzo silnym polu magnetycznym, które może powodować pojawienie się specjalnej klasy bardzo jasnych supernowych”.
Chociaż interesujące jest samo zbadanie najpotężniejszych eksplozji we Wszechświecie, to badanie może również pomóc zrozumieć, jak powstały niektóre z najcięższych elementów naszego Wszechświata.
