Simulasi supernova 3D mengungkap mengapa mereka meledak
Materi yang bergolak berputar di sekitar pusat bintang yang runtuh. Turbulensi memberikan dorongan tambahan pada gelombang kejut supernova (biru), setelah itu inti padat dari bintang yang terletak di tengah membentuk bintang neutron.
Pada tahun 1987, sebuah bintang raksasa meledak di dekat Galaksi Bimasakti kita. Itu adalah supernova paling terang dan terdekat sejak penemuan teleskop (hampir 400 tahun yang lalu), dan hampir semua observatorium berpaling ke arah ini untuk melihat lebih dekat pada acara tersebut. Hasil pengamatan yang paling menarik adalah bahwa observatorium khusus yang terletak jauh di bawah tanah mampu mendeteksi partikel subatomik pemalu, neutrino, yang alirannya mengalir dari pusat ledakan.
Dugaan pertama bahwa partikel-partikel ini adalah kekuatan pendorong ledakan supernova dibuat pada tahun 1966. Menemukan partikel-partikel ini telah menjadi sumber kenyamanan bagi para ahli teori yang mencoba memahami cara kerja ledakan. Namun, dalam dekade berikutnya, ahli astrofisika terus-menerus tersandung pada satu kekurangan model berbasis neutrino yang tampaknya fatal.
Neutrino dikenal acuh tak acuh, dan bagaimana sebenarnya neutrino mentransfer energi ke materi bintang biasa di bawah kondisi ledakan yang ekstrim masih belum jelas. Dalam simulasi pergerakan dan interaksi partikel di komputer, para ahli teori selalu bekerja agar gelombang ledakan supernova berhenti dan jatuh kembali ke bintang. Karena semua kegagalan ini, "gagasan yang tertanam kuat bahwa teori ledakan supernova utama kami tidak berhasil," kata Sean Couch , astrofisikawan komputasi di Michigan State University.
Tentu saja, proses spesifik yang terjadi di kedalaman supernova selama ledakan selalu menjadi misteri. Ini adalah kuali dengan kondisi ekstrim, sup yang bergejolak dari materi pengubah. Partikel dan gaya yang biasanya kita abaikan dalam kehidupan sehari-hari menjadi kritis. Lebih buruk lagi, bagian dalam ledakan sebagian besar tidak terlihat oleh awan gas panas. Memahami detail bagaimana supernova bekerja "telah menjadi masalah utama yang belum terpecahkan untuk astrofisika," kata Adam Burroughs , astrofisikawan di Universitas Princeton yang telah mempelajari supernova selama lebih dari 35 tahun.
Namun, dalam beberapa tahun terakhir, ahli teori telah dapat memperoleh pemahaman yang lebih dalam tentang proses supernova yang sangat kompleks. Simulasi ledakan telah menjadi norma, bukan pengecualian, seperti tulis Burroughs di jurnal Nature pada Januari 2021. Program komputer tim peneliti saingan setuju tentang bagaimana gelombang kejut berevolusi dalam ledakan supernova. Simulasi telah mencakup bahkan rincian teori relativitas umum Einstein yang sangat kompleks. Peran neutrino akhirnya mulai dipahami.
"Ini adalah momen yang menentukan," kata Couch. Fisikawan telah menemukan bahwa tanpa turbulensi, bintang yang runtuh tidak dapat membentuk supernova sama sekali.
Tarian chaos
Untuk sebagian besar umur bintang, gaya tarik gravitasi yang bekerja menuju pusat berada dalam kesetimbangan yang tidak stabil dengan tekanan luar radiasi dari reaksi nuklir yang terjadi di inti bintang. Ketika sebuah bintang kehabisan bahan bakar, gravitasi menang. Bintang itu runtuh dengan kecepatan 150.000 km / jam, yang tiba-tiba menaikkan suhu hingga 100 miliar ° C dan melelehkan inti bintang, mengubahnya menjadi bola neutron padat.
Lapisan luar bintang terus jatuh ke dalam, namun, ketika bertabrakan dengan inti neutron yang tidak dapat dimampatkan ini, mereka memantul dan menciptakan gelombang kejut. Agar gelombang kejut menjadi ledakan, ia harus dipercepat ke luar dengan energi yang cukup untuk mengatasi tarikan gravitasi bintang. Selain itu, gelombang kejut harus melawan lapisan luar bintang yang jatuh ke dalam, menuju inti.
Sampai saat ini, hanya sedikit yang diketahui tentang kekuatan yang mendorong gelombang ledakan. Selama beberapa dekade, komputer tidak cukup kuat untuk bekerja hanya dengan model sederhana dari kernel yang runtuh. Bintang-bintang dianggap bola yang ideal, dan gelombang kejut menyebar dari pusat secara simetris ke segala arah. Namun dalam model satu dimensi ini, gelombang ledakan melambat saat bergerak, setelah itu mereda.
Hanya dalam beberapa tahun terakhir, dengan peningkatan kekuatan superkomputer, para ahli teori memiliki kekuatan komputer yang cukup untuk membangun model yang cukup kompleks dari bintang masif yang mampu menghasilkan ledakan. Model terbaik hingga saat ini memperhitungkan interaksi antara neutrino dan materi, pergerakan cairan yang tidak teratur, dan kemajuan terbaru dalam sains dari fisika nuklir hingga evolusi bintang. Selain itu, ahli teori dapat menjalankan beberapa simulasi dalam setahun , mengubah pengaturan model, dan mengalami kondisi awal yang berbeda.
Salah satu titik balik terjadi pada 2015 ketika Couch dan rekan-rekannya meluncurkan model komputer 3D pada menit-menit terakhir.runtuhnya bintang masif. Meskipun simulasi hanya mencakup 160 detik dari kehidupan bintang, itu dengan jelas mengungkapkan peran kekuatan yang diremehkan dalam membantu mengubah gelombang ledakan yang melambat menjadi ledakan besar.
Di dalam rahim monster, partikel-partikel itu berputar dan melesat secara kacau. “Ini seperti air yang mendidih di dalam panci. Cairan berputar dalam sebuah bintang, bergerak dengan kecepatan ribuan kilometer per detik, ”kata Couch.
Turbulensi menciptakan tekanan tambahan dalam gelombang ledakan, mendorongnya menjauh dari pusat bintang. Dan semakin jauh dari pusat, semakin lemah gaya tarik gravitasinya, dan semakin jarang massa jenis materi jatuh ke arah pusat, yang mampu menenangkan gelombang ledakan. Selain itu, materi turbulen yang bergerak di bawah penutup gelombang kejut memiliki lebih banyak waktu untuk menyerap neutrino. Kemudian energi dari neutrino ini memanaskan materi dan mempercepat gelombang ledakan menuju ledakan bintang.
Para peneliti telah meremehkan pentingnya turbulensi selama bertahun-tahun, karena turbulensi hanya muncul sepenuhnya dalam simulasi 3D. “Kami membutuhkan kerja puluhan tahun untuk melakukan apa yang alam dapat lakukan tanpa kesulitan. Kami secara bertahap berpindah dari satu dimensi ke dua dan kemudian ke tiga, ”kata Burroughs.
Pada paruh pertama detik setelah runtuhnya inti bintang, materi berputar-putar mengelilinginya. Dalam simulasi ini, warna materi ditentukan tergantung pada entropi, ukuran ketidakteraturan [atau lebih tepatnya, ukuran informasi tentang sistem / perkiraan. per.] (semakin mendekati merah, semakin besar entropinya). Karena turbulensi, ledakannya asimetris.
Juga menjadi jelas dari simulasi bahwa turbulensi mengarah pada ledakan asimetris, di mana bintang tersebut agak seperti jam pasir. Ledakan menciptakan tekanan di satu arah, dan materi terus jatuh ke inti bintang di arah lain, yang selanjutnya memicu ledakan.
Simulasi baru memberi para peneliti pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana supernova membentuk alam semesta saat ini. "Kita bisa mendapatkan kisaran energi ledakan yang tepat, dan massa bintang neutron tertinggal," kata Burroughs. Supernova terutama bertanggung jawab untuk mengisi anggaran unsur-unsur berat alam semesta seperti oksigen dan besi, dan para ahli teori mulai menggunakan simulasi yang memprediksi proporsi tertentu dari unsur-unsur berat di ruang angkasa. "Kami mulai menangani masalah yang tidak pernah dibayangkan akan diselesaikan di masa lalu," kata Tuguldur Sukhbold , astrofisikawan teoritis komputasi di Ohio State University.
Ledakan berikutnya
Terlepas dari pertumbuhan eksponensial dalam daya komputasi, simulasi supernova dilakukan jauh lebih jarang daripada pengamatannya. “20 tahun lalu, kami menemukan sekitar 100 supernova setiap tahun,” kata Ido Berger , astronom di Universitas Harvard. "Hari ini, kami membuka 10.000 hingga 20.000 unit setiap tahun." Peningkatan jumlah pengamatan ini disebabkan oleh teleskop baru yang secara cepat dan teratur mengamati langit malam. Para ahli teori melakukan sekitar 30 simulasi komputer dalam setahun. Satu simulasi, yang membuat ulang beberapa menit dari proses kehancuran nuklir, membutuhkan waktu beberapa bulan. "Anda memeriksa setiap hari dan itu hanya lewat satu milidetik," kata Couch. "Ini seperti melihat tetes tebu mengalir dalam cuaca dingin."
Keakuratan simulasi baru ini membuat ahli astrofisika menantikan ledakan berikutnya, yang akan berada di dekat kita. “Sementara kita menunggu supernova berikutnya di galaksi kita, masih banyak yang harus kita lakukan. Kami perlu meningkatkan model teoretis untuk memahami fitur apa dari proses yang mungkin kami deteksi, ”kata Irene Tamborra , astrofisikawan teoretis di Universitas Kopenhagen. "Kesempatan itu tidak boleh dilewatkan, karena ini adalah peristiwa yang langka."
Kebanyakan supernova dinyalakan terlalu jauh dari Bumi untuk observatorium di darat untuk dapat mendeteksi neutrino mereka. Supernova di sekitar Bima Sakti - seperti SN 1987A - terjadi rata-rata sekitar sekali setiap setengah abad....
Tetapi jika supernova terjadi, para astronom dapat "melihat langsung ke pusat ledakan," kata Berger. Ini akan dimungkinkan berkat pengamatan gelombang gravitasi. “Berbagai kelompok menganggap proses berbeda yang terjadi selama ledakan itu penting. Dan untuk semua proses ini, gelombang gravitasi dan fluks neutrino terlihat berbeda ”.
Dan sementara para ahli teori saat ini secara praktis telah menyetujui faktor terpenting yang mendasari supernova, kesulitan masih tetap ada. Secara khusus, hasil ledakan "sangat bergantung" pada struktur inti bintang sebelum ledakan itu sendiri, kata Sukhbold. Perbedaan kecil meningkat, yang mengarah pada hasil yang berbeda dari keruntuhan yang kacau. Oleh karena itu, evolusi bintang, yang mendahului keruntuhan, juga harus dimodelkan dengan cermat....
Pertanyaan lain termasuk peran medan magnet yang kuat dalam inti bintang yang berputar. “Ada kemungkinan bahwa mungkin ada mekanisme hibrid medan magnet dan neutrino yang bekerja,” kata Burroughs. Juga tidak jelas bagaimana sebenarnya neutrino mengubah tipe mereka - "jenis" - dari satu ke yang lain, dan bagaimana hal ini mempengaruhi ledakan.
“Masih banyak bahan untuk ditambahkan ke dalam simulasi,” kata Tamborra. - Jika supernova meledak besok, dan itu bertepatan dengan prediksi teoretis kita, maka semua bahan lain yang tidak kita miliki hari ini dapat diabaikan. Tetapi jika itu tidak terjadi, kita perlu mencari tahu mengapa. "