3D超新星シミュレーションは、なぜ爆発するのかを明らかにします
乱流物質は崩壊する星の中心の周りを渦巻いています。乱流は超新星の衝撃波（青）にさらなる推進力を与え、その後、中心にある星の密なコアが中性子星を形成します
。1987年に、私たちの天の川銀河の近くで巨星が爆発しました。それは望遠鏡の発明（ほぼ400年前）以来最も明るく最も近い超新星であり、ほとんどすべての天文台がこの方向に向きを変えてイベントを詳しく調べました。観測の最も興味深い結果は、地下深くに位置する特別な天文台 が、爆発の中心から流れが急いでいる恥ずかしがり屋の亜原子粒子、ニュートリノを検出することができたということでした。
これらの粒子が超新星爆発の原動力であるという最初の提案 は1966年に行われました。これらの粒子を見つけることは、爆発がどのように機能するかを理解しようとする理論家にとって快適さの源になりました。しかし、その後の数十年間、天体物理学者は、ニュートリノベースのモデルの致命的な欠如に常に遭遇しました。
ニュートリノは無関心であることが知られており、極端な爆縮条件下でニュートリノがどのようにして通常の星の物質にエネルギーを伝達するのかは不明なままでした。コンピューター上での粒子の動きと相互作用のシミュレーションでは、理論家は常に、超新星の爆風が停止して星に戻るように工夫してきました。これらすべての失敗のために、「超新星爆発の私たちの主要な理論が機能しないという考えが根付いています」と、ミシガン州立大学の計算宇宙物理学者であるショーン・カウチは言い ました。
もちろん、爆発中に超新星の深部で起こる特定のプロセスは常に謎のままです。それは極限状態の大釜であり、変容する物質の乱れたスープです。私たちが日常生活で通常無視する粒子や力が重要になります。さらに悪いことに、爆発の内部は、高温ガスの雲によってほとんど視界から隠されています。超新星がどのように機能するかの詳細を理解することは、「天体物理学の中心的な未解決の問題でした」と、35年以上超新星を研究してきたプリンストン大学の天体物理学者であるアダムバロウズは言い ました。
しかし、近年、理論家は超新星の驚くほど複雑なプロセスをより深く理解することができました。爆発的なシミュレーションは、例外ではなく、標準になっています。 2021年1月にジャーナルNatureにBurroughsを書いた。ライバルの研究チームのコンピュータープログラムは 、超新星爆発で衝撃波がどのように進化するかについて合意しています。シミュレーションは、アインシュタインの非常に複雑な一般相対性理論の詳細さえも含むまでになりました 。ニュートリノの役割がようやく理解され始めています。
「これは分水嶺の瞬間です」とCouchは言いました。物理学者は、乱流がなければ、崩壊する星は超新星をまったく形成できないことを発見しました。
カオスダンス
星の寿命のほとんどの間、中心に向かって作用する引力は、星の中心で発生する核反応からの放射の外向きの圧力と不安定な平衡状態にあります。星が燃料を使い果たすとき、重力が勝ちます。星は時速15万kmの速度で崩壊し、急激に温度が1,000億℃に上昇し、星の核が溶けて中性子の固い球体になります。
星の外層は内側に落ち続けますが、この非圧縮性中性子コアと衝突すると、それらは跳ね返り、衝撃波を生成します。衝撃波が爆発になるためには、星の引力に打ち勝つために十分なエネルギーで外向きに加速されなければなりません。また、衝撃波は、コアに向かって内側に落ちる星の外層と戦わなければなりません。
最近まで、爆風を駆動する力についてはほとんど知られていませんでした。何十年もの間、コンピューターは崩壊するカーネルの単純化されたモデルでのみ動作するほど強力ではありませんでした。星は理想的な球体と見なされ、衝撃波は中心から全方向に対称的に広がりました。しかし、これらの一次元モデルでは、爆風は移動するにつれて減速し、その後沈静化します。
スーパーコンピューターの能力が向上した過去数年でのみ、理論家は爆発を引き起こすことができる巨大な星の十分に複雑なモデルを構築するのに十分なコンピューター能力を持っていました。これまでの最良のモデルは、ニュートリノと物質の間の相互作用、流体の無秩序な動き、および核物理学から恒星進化への科学の最近の進歩を考慮に入れています。さらに、理論家は1年に数回のシミュレーションを実行し、モデル設定を微調整し、さまざまな初期条件を体験することができます 。
ターニングポイントの1つは、Couchと彼の同僚が最後の数分間の3Dコンピューターモデルを発表した2015年に起こりました 。巨大な星の崩壊。シミュレーションは星の寿命の160秒しかカバーしていませんでしたが、減速する爆風を本格的な爆発に変換するのに役立つ過小評価された力の役割を明確に明らかにしました。
モンスターの子宮の中で、粒子は無秩序に回転し、ダッシュしました。 「それは鍋で沸騰する水のようなものです。液体は星の中で回転し、毎秒数千キロメートルの速度で動いています」とカウチは言いました。
乱気流は爆風に追加の圧力を発生させ、それを星の中心から遠ざけます。そして、中心から離れるほど、引力が弱くなり、中心に向かって落下する物質の密度が低くなり、爆風を鎮めることができます。また、衝撃波に覆われて移動する乱流物質は、ニュートリノを吸収する時間が長くなります。次に、ニュートリノからのこのエネルギーが物質を加熱し、爆風を加速して星を爆発させます。
乱流は3Dシミュレーションでのみ完全に示されるため、研究者は長年にわたって乱流の重要性を過小評価してきました。 「自然が問題なくできることをするのに何十年もの仕事が必要でした。私たちは徐々に1次元から2次元、そして3次元に移行しました」とBurroughs氏は述べています。
星の核が崩壊してから前半秒で、渦巻く物質がそれを取り囲んでいます。このシミュレーションでは、物質の色は、エントロピー、無秩序の尺度[というより、システムに関する情報の尺度/約に応じて割り当てられます。 per。]（赤に近いほど、エントロピーは大きくなります）。乱流のため、爆発は非対称です。
また、シミュレーションから、乱流が非対称の爆発を引き起こし、星が砂時計に少し似ていることが明らかになりました。爆発は一方向に圧力を発生させ、物質は他の方向の星のコアに落下し続け、爆発をさらに促進します。
新しいシミュレーションは、超新星が今日の宇宙をどのように形作ったかについてのより良い理解を研究者に与えています。「適切な範囲の爆発エネルギーと、残された中性子星の質量を得ることができます」とバロウズ氏は述べています。超新星は主に 酸素や鉄などの宇宙の重元素の予算を増やす責任があり、理論家は宇宙の重元素の特定の割合を予測するシミュレーションを使い始めています。「私たちは、過去に解決されるとは想像もできなかった問題に取り組み始めています」と、オハイオ州立大学の計算理論天体物理学者であるTuguldurSukhboldは述べてい ます。
次の爆発
計算能力の指数関数的成長にもかかわらず、超新星シミュレーションはそれらの観測よりもはるかに少ない頻度で実行されます。 「20年前、私たちは毎年約100個の超新星を発見しました」とハーバード大学の天文学者であるイドバーガーは言い ました。 「今日、私たちは年間10,000から20,000ユニットをオープンしています。」観測数の増加は、夜空を迅速かつ定期的に調査する新しい望遠鏡によるものです。理論家は、年間約30のコンピューターシミュレーションを実行します。核崩壊の過程から数分を再現する1つのシミュレーションには、数か月かかります。 「あなたは毎日チェックします、そしてそれはたった1ミリ秒過ぎています」とCouchは言いました。 「それは、糖蜜が寒さの中を流れるのを見ているようなものです。」
新しいシミュレーションの正確さにより、天体物理学者は私たちの近くにある次の爆発を楽しみにしています。 「銀河の次の超新星を待つ間、まだやるべきことがたくさんあります。コペンハーゲン大学の理論天体物理学者であるIreneTamborraは、次のように述べてい ます。 「非常にまれなイベントなので、この機会を逃してはなりません。」
ほとんどの超新星は地球から離れすぎて発火しているため、地上の天文台ではニュートリノを検出できません。天の川のすぐ近くにある超新星（SN 1987Aなど）は 、平均して半世紀に1回発生し ます。..。
しかし、超新星が発生した場合、天文学者は「爆発の中心を直接見ることができる」とバーガー氏は述べた。これは重力波の観測のおかげで可能になります。 「さまざまなグループが、爆発中に発生するさまざまなプロセスが重要であると考えています。そして、これらすべてのプロセスで、重力波とニュートリノフラックスは異なって見えます」。
そして今日の理論家たちは超新星の根底にある最も重要な要因について事実上合意していますが、依然として困難が残っています。特に、爆発の結果は、爆発自体の前の星のコアの構造に「大きく依存する」と、スフボルト氏は述べた。小さな違いが増加し、混沌とした崩壊の異なる結果につながります。したがって、崩壊に先立つ星の進化も注意深くモデル化する必要があります 。..。
他の質問には、星の回転するコアにおける強い磁場の役割が含まれます 。「磁場とニュートリノのハイブリッドメカニズムが機能している可能性があります」とバロウズ氏は述べています。また、ニュートリノがそのタイプ（「ソート」）をあるものから別のものにどのように正確に変更するか、そしてこれが爆発にどのように影響するかについても不明 です。
「シミュレーションに追加する要素はまだたくさんあります」とTamborra氏は述べています。-超新星が明日爆発し、それが私たちの理論的予測と一致する場合、今日私たちが不足している他のすべての成分は無視することができます。しかし、それが起こらない場合は、その理由を理解する必要があります。」