Въпреки че интензивните магнитни полета отдавна се считат за причина за най-мощните свръхнови, астрофизиците са създали компютърен модел на магнитното поле, демонстрирайки какво се случва в умираща звезда, преди да се превърне в космическо чудовище.
Когато масивни звезди умират, те експлодират. Но понякога такива звезди експлодират много силно и произвеждат една от най-мощните експлозии в наблюдаваната Вселена.
Когато масивна звезда изчерпи снабдяването си с водородно гориво, силната гравитация вътре в ядрото причинява постепенно сливане на по-масивните му елементи. В космически мащаб този процес е бърз. Но веднага щом се получи сливането с желязото, процесът спира рязко. Термоядрената реакция в ядрото спира и силата на гравитацията се стреми да я унищожи напълно.
Само за една секунда ядрото на звездата се свива рязко и намалява с диаметър от 1000 до 10 мили, което води до появата на наистина гигантски ударни вълни, които като резултат разкъсват звездата. Накратко се случва следното: звездата изчерпва горивото си, компресия, ударни вълни, масивна експлозия. От него остава бързо разрастващ се облак от горещ газ и малка неутронна звезда, която се върти бързо на мястото, където е било ядрото.
Този модел е разбираем и подходящ, за да обясни как умират масивни звезди. Но понякога, в най-отдалечените ъгли на Вселената, астрономите забелязват експлозии на звезди, чиято мощност далеч надвишава тази, която може да се обясни с традиционните модели на свръхновите. Такива експлозии се наричат гама-избухвания и се смята, че тяхната поява е причинена от специална порода свръхнова, хипернова. Освен факта, че Хипернова е кръстена на злодей от филм, базиран на комиксите на Марвел, това е и въплъщение на магнитната интензивност. Срутването на ядрото на масивна звезда не само води до бързо увеличаване на неговата плътност. Звездата продължава да се върти и подобно на фигурист, който притиска ръцете си към себе си, докато се върти, срутващата се ядро на срутващата се звезда започва бързо да се "отпуска". Наред с въртенето, турбулентните течения в емисиите на прегрятата плазма и магнитното поле на звездата стават изключително концентрирани.
Хипернова звезда, формираща 2 гама джета (по мнението на художника)
Досега въздействията, причинени от срутването на ядрото на свръхновата, бяха счетени за достатъчно добре изучени - на теория, но потвърдени от наблюдения на свръхнови. Но механизмът на свръхновите (и гама-избухвания) не е напълно проучен до този момент.
Използвайки симулации на един от най-мощните суперкомпютри на планетата, международен екип от изследователи е създал модела на ядрото на свръхнорма по време на колапс, част от секунда след експлозията. И това, което са открили, може да помогне да се разкрие мистерията на гама-избухванията.
Смята се, че високата енергия на гама-лъчите се причинява от нещо, което се случва в ядрото на масивна звезда по време на нейното срутване и трансформация в супернова. Нещо, което изхвърля материя и енергия в противоположни посоки, образувайки две силно концентрирани (или коллимирани) струи, изригнали от магнитните полюси на свръхнова. Тези струи са толкова силни, че ако една от тях е насочена към Земята, то излъчването от него ще създаде впечатлението, че е причинено от много по-силна експлозия от експлозията на обикновена свръхнова. „Опитахме се да намерим основния механизъм, основният инструмент и да разберем защо срутването на една звезда може да доведе до образуването на такива струи”, казва Ерик Шнеттер от Института за теоретична физика във Ватерло, Онтарио, който разработва модел за създаване на симулатор на умиращия звезди.
За да разберем защо тези струи са толкова мощни, представете си, че на земята е поставена динамитна пръчка и топлото топче е поставено отгоре. Когато експлозивът избухне, ще има силен трясък и може би ще остане малка фуния за пушене. Но оръдието е малко вероятно да лети далеч. Най-вероятно малко скочи нагоре и се плъзга в фунията. Но ако сложите същия динамит в метална тръба, затворете единия край и завъртете гюлето на открито - по време на експлозията цялата енергия ще се концентрира в отворения край на тръбата, а ядрото ще отлети за стотици метри.
По аналогия с динамита, по-голямата част от енергията на хипернова е концентрирана в две струи, които са разположени във вътрешността на магнитните „тръби“. Следователно, когато виждаме насочена към нас струя, тя изглежда многократно по-ярка (и по-мощна), отколкото яркостта на нейните компоненти би била, ако свръхнова от нейната енергия се излъчва във всички посоки. Това е спукване на гама-лъчи.
Процесът на образуване на такива струи обаче е почти неразбираем. Но моделирането на суперкомпютъра Blue Waters, намиращ се в Националния център за суперкомпютърни приложения в Университета на Илинойс в Урбана-Шампейн, което отне 2 седмици, разкри изключително силно динамо, задействано от турбуленция, което вероятно е причината за всичко това. "С помощта на динамо малки магнитни структури попадат в масивна звезда и се превръщат във все по-големи магнитни структури, необходими за образуването на хипернова и дълга гама лъчи", казва Phillip Mosta от Калифорнийския университет в Бъркли, първият автор на изследване в списание Nature. "Това започва целия процес."
„Дълго време се смяташе, че това е възможно. И сега ние го показахме. "
Възстановявайки малката структура на ядрото на умираща звезда по време на колапс, изследователите показаха за първи път, че механизъм, наречен “магнитна ротационна нестабилност”, може да предизвика силни магнитни условия вътре в сърцето на хипернова, което допринася за образуването на мощни струи.
Известно е, че различните слоеве на една звезда се въртят с различни скорости. Дори нашето слънце има диференциално въртене. Когато сърцевината на масивна звезда се срине, диференциалното въртене причинява силна нестабилност, създавайки турбуленция, която превръща магнитните полета в тръби с мощен магнитен поток. Такава бърза подредба по една линия ускорява звездната плазма, която, от своя страна, увеличава въртенето на магнитното поле от квадрилиите (това е 1 с 15 нули) пъти. Този порочен кръг води до бързото освобождаване на материала от магнитните полюси и задейства механизма на хипернова и гама лъчи.
Според Мост тази ситуация е подобна на това как мощните урагани се образуват в атмосферата на Земята. Малките турбулентни потоци се сливат в един голям циклон. Следователно хипернова може да се счита за „идеална буря“, при която малка турбуленция в срутващата се ядро създава мощни магнитни полета, които на свой ред причиняват, при подходящи условия, образуването на интензивни струи материя. „Направихме първата широкомащабна симулация на този процес при много висока резолюция, която демонстрира формирането на голямо глобално поле от изключително бурното”, каза Мост. "Симулацията също така демонстрира механизма на образуване на магнитари и неутронни звезди с много силно магнитно поле, което може да доведе до появата на специална класа от много ярка свръхнова."
Въпреки че само по себе си е интересно да се изследват най-мощните експлозии във Вселената, това изследване може също да помогне да се разбере как се формират някои от най-тежките елементи на нашата Вселена.
