четвъртък, септември 24, 2009

Компютърен код предоставя симулация на последните часове от живота на една звезда

Използвайки Маестро, изследователите симулират радиалната скорост на повърхността на Тип Ia супернова с приближаването й към точката на възпламеняване.Само вътрешността (1000 км) да показани на тази рисунка. (Credit: Image courtesy of DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory)

ScienceDaily (Sep. 23, 2009) — Точните условия в недрата на бяло джудже – в часовете преди избухването й като Тип Ia супернова – са една от мистериите, с които се сблъскват астрофизиците изучаващи тези масивни звездни експлозии. Но сега, група от изследователи, трима от които са приложни математици от от националните лаборатории Лорънс Бъркли на Американското Енергийно Министерство и двама астрофизици, са създали първата пълна симулация на звезда, показващи часовете преди най-голямата термоядрена експлозия във Вселената.

В статия, която ще се публикува в октомврийския брой на Астрофизичния Журнал, Ан Алмгрин, Джон Бел и Анди Нонака от лабораториите Бъркли, заедно с Майк Зингейл от университета Stony Brook и Стан Уусли от Калифорнийския университет, Санта Круз, описват първата три-измерна, симулация на цяла звезда, показваща конвекцията на бяло джудже, водеща до възпламеняването на Тип Ia супернова. Проекта е финансиран от научния офис на Енергийното Министерство.

Тип Ia суперновите са особено интересни за астрофизиците, защото се вярва, че те са изненадващо подобни една на друга, което води до използването им като „стандартни свещи”, с които учените измерват разширението на Вселената. Базирано на наблюденията на тези масивни звездни експлозии – една супернова може да бъде ярка колкото цяла галактика – учените вярват, че нашата Вселена се разширява с ускоряващ се темп. Но какво става ако Тип Ia супернова не избухват по един и същ начин? Какво става ако те не са стандартизирани?

"Опитваме се да разберем нещо много фундаментално – как се взривяват тези звезди – като това има последствия за съдбата на Вселената,” казва Алмгрин.

Проблема е, че астрофизиците все още не знаят как точно експлодира такава звезда. През годините, няколко симулации са се опитали да отговорят на този проблем, но традиционните методи и достъпната суперкомпютърна изчислителна мощ все още не е била достатъчно добра за тази задача."Малко хора са се занимавали с този проблем преди, защото е бил считан за невъзможен за обработване предвид количеството информация,” казва Алмгрин. „Трябва да симулираме състоянието за часове, не само за няколко секунди. Сега правим изчисления, които не бяха възможни преди.”

През последните три години, Алмгрин, Бел и Нонака, заедно със сътрудниците си, са разработили симулация кодирано наречена МАЕСТРО (MAESTRO). Кода симулира потока от маса и топлина през звездата за период от време, и изисква суперкомпютри, които да моделират цялата звезда. Уникалното в случая е, че е направен за процеси, които се случват със скорости много по-ниски от скоростта на звука, което позволява на симулацията да произведе много по-детайлни резултати, използвайки много по-малко суперкомпютърно време отколкото традиционните кодове. Това, което прави подхода на МАЕСТРО различен от традиционните методи, е че звуковите вълни са премахнати, което позволява на кода да бъде по ефективен.

Групата е провела симулациите със суперкомпютъра Jaguar, a Cray XT4 в Oak Ridge Leadership Computing Facility в Тенеси, използвайки сума отпусната по програмата Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE).
"Алокирането на INCITE към Jaguar е било критично, позволявайки осъществяването на успешни опити, които довеждат до тези разтърсващи резултати,” каза Уусли, лидер на проекта SciDAC supernova, който насърчава успешни сътрудничества като това между математиците и астрофизиците. „И непрестанната подкрепа на Научния отдел на Енергийното Министерство е критична за напредването в нашите изследвания.”
Симулацията предостави важен поглед към края на един процес започнал преди няколко милиарда години.
Тип Ia супернова започва като бяло джудже, компактна останка от звезда с ниска маса, която никога не е станала достатъчно голяма за да синтезира въглерод и кислород. Но ако наблизо има друга звезда, бялото джудже може да започне да получава маса (акретира) от съседа си, докато достигне критичен лимит, познат като маса на Чандрасекар. Евентуално, при достатъчна топлина и налягане, звездата започва да ври/къкри, процес който трае няколко века. По време на тази фаза, флуида близо до центъра на звездата става все по горещ и по-гъвкав и благодарение на конвекцията топлината се измества извън центъра на звездата. По време на финалните часове, конвекцията вече не може да премества топлината надалеч от центъра достатъчно бързо, и звездата става все по гореща. Флуидния поток става все по мощен и турбулентен и в дадена точка или точки от звездата, температурата достига до около 1 милиард градуса по Келвин (около 1.8 милиона по Фаренхайт) и се възпламенява. Горещия фронт тогава прекосява звездата, отначало бавно, но ускорявайки с времето. Периода от време от възпламеняването до експлозията трае секунди.

Симулациите на групата показват, че в ранните етапи, движението на флуида изглежда като случайни завихряния. Но с увеличаването на нагорещяването в центъра на звездата, конвективния поток ясно се движи в ядрото на звездата от едната страна към другата, модел познат като дипол. Но потокът също става и много турболентен, като ориентацията на дипола изхвърча в звездата. Други също са виждали този диполен модел, но симулациите с МАЕСТРО за пръв път го показват в рамките на цялата звезда и в три измерения.

Това, според статията написана от групата, може да бъде критично парче от нашето разбиране за това как се случва финалната експлозия. „С напредването на изчислителната техника, става все по-ясно, че резултатът от експлозията е много чувствителен към това как точно се инициират горящите фронтове.”

"Както се вижда от широкия спектър от резултати от експлозии в литературата, реалистичните първоначални условия са критична част от моделирането на Типа Ia. Само симулациите на тази конвективна фаза могат да дадат броя, размера и разпределението а първоначалните горещи точки, които възпламеняват звездата,” пише групата в статията. „Допълнително, първоначалните турболентни скорости в звездата сапоне толкова големи, колкото е голяма скоростта на пламъка, така че те акуратно показват, че този първоначален поток може би е важен компонент на еплозивните модели.”

Алмгрин и Нонака предупреждават читателите да не се задълбочават много в резултатите от едно единствено изследване. Въпреки, че работата описана в тази статия – четвъртата в Астрофизичния журнал за МАЕСТРО – е важна стъпка към разбирането на този проблем, трябва повече работа за да бъдем сигурни в резултатите. „Трябва да изследваме ефектите от ротацията, от резолюцията и различните съставки на звездата,” казва Зингейл. „Но с МАЕСТРО и днешните суперкомпютри, мислим, че това е постижимо.”

Няма коментари:

Публикуване на коментар