Dünyanın ilk 3 boyutlu simülasyonları egzotik süpernovaların fiziğini ortaya koyuyor

Yıllar süren özel araştırmalardan ve 5 milyonun üzerinde süper bilgisayar hesaplama saatinden sonra bir ekip, egzotik süpernovalar için dünyanın ilk yüksek çözünürlüklü 3 boyutlu radyasyon hidrodinamiği simülasyonlarını yarattı. Bu çalışma rapor edildi içinde Astrofizik Dergisi.

Tayvan’daki Academia Sinica Astronomi ve Astrofizik Enstitüsü’nden (ASIAA) Ke-Jung Chen, uluslararası bir ekibe liderlik etti ve bu atılımı gerçekleştirmek için Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı ve Japonya Ulusal Astronomi Gözlemevi’nin güçlü süper bilgisayarlarını kullandı.

Süpernova patlamaları, yaşam döngülerini kendi kendilerini yok edecek şekilde tamamlayan, milyarlarca güneşe eşdeğer bir parlaklığı anında açığa çıkaran ve tüm evreni aydınlatan dev yıldızlar için en muhteşem sonlardır.

Bu patlama sırasında yıldızın içinde oluşan ağır elementler de dışarı atılarak yeni yıldızların ve gezegenlerin doğuşunun temeli atılır ve yaşamın kökeninde önemli bir rol oynar.

Süpernovalar, hem teoride hem de gözlemde çok sayıda önemli astronomik ve fiziksel konuyu kapsayan ve önemli araştırma değeri taşıyan, modern astrofizikte önemli bir ilgi alanıdır.

Geçtiğimiz yarım yüzyılda yapılan araştırmalar, süpernovalara ilişkin nispeten kapsamlı bir anlayış sağladı. Bununla birlikte, en son büyük ölçekli süpernova araştırması gözlemleri, daha önce kurulmuş olan süpernova fiziği anlayışına meydan okuyan ve onları altüst eden birçok olağandışı yıldız patlamasını (egzotik süpernova) ortaya çıkarmaktadır.

Egzotik süpernovalar arasında süper parlak süpernovalar ve sonsuza dek parlak süpernovalar en kafa karıştırıcı olanlardır. Süper parlak süpernovaların parlaklığı, normal süpernovaların parlaklığının yaklaşık 100 katıdır ve genellikle parlaklıklarını yalnızca birkaç haftadan birkaç aya kadar korurlar.

Buna karşılık, sonsuza dek parlak olan süpernovalar parlaklıklarını birkaç yıl, hatta daha uzun süre koruyabilirler. Daha da şaşırtıcı olanı, birkaç egzotik süpernovanın, çeşme benzeri patlamalara benzeyen, düzensiz ve aralıklı parlaklık değişimleri sergilemesidir. Bu tuhaf süpernovalar, evrendeki en büyük yıldızların evrimini anlamanın anahtarını taşıyabilir.

Bu egzotik süpernovaların kökenleri hala tam olarak anlaşılmış değil ancak gökbilimciler bunların olağandışı büyük kütleli yıldızlardan kaynaklanabileceğine inanıyor. Kütleleri Güneş’in 80 ila 140 katı arasında değişen yıldızlar, yaşamlarının sonuna yaklaşırken çekirdekleri karbon füzyon reaksiyonlarına uğrar.

Bu işlem sırasında, yüksek enerjili fotonlar elektron-pozitron çiftleri oluşturabilir, çekirdekte titreşimleri tetikleyebilir ve çeşitli şiddetli kasılmalara yol açabilir. Bu kasılmalar büyük miktarda füzyon enerjisi açığa çıkarır ve patlamaları tetikleyerek yıldızlarda büyük patlamalara neden olur. Bu patlamaların kendisi düzenli süpernova patlamalarına benzeyebilir. Üstelik farklı patlama dönemlerinden gelen malzemeler çarpıştığında, süper parlak süpernovalara benzer olayların üretilmesi mümkündür.

Şu anda, evrendeki bu kadar büyük yıldızların sayısı nispeten nadirdir ve bu da tuhaf süpernovaların azlığıyla uyumludur. Bu nedenle bilim insanları, kütleleri Güneş’in 80 ila 140 katı arasında değişen yıldızların, tuhaf süpernovaların öncüleri olma ihtimalinin yüksek olduğundan şüpheleniyorlar. Ancak bu yıldızların kararsız evrimsel yapıları modellemelerini oldukça zorlaştırıyor ve mevcut modeller çoğunlukla tek boyutlu simülasyonlarla sınırlı kalıyor.

Ancak daha önceki tek boyutlu modellerde ciddi eksiklikler bulunuyordu. Süpernova patlamaları önemli türbülanslara neden olur ve türbülans, süpernovaların patlamasında ve parlaklığında çok önemli bir rol oynar. Bununla birlikte, tek boyutlu modeller türbülansı ilk prensiplerden simüle edememektedir. Bu zorluklar, güncel teorik astrofizikte egzotik süpernovaların ardındaki fiziksel mekanizmaların derinlemesine anlaşılmasını engellemiştir.

Süpernova patlamalarının bu yüksek çözünürlüklü simülasyonu çok büyük zorluklar ortaya çıkardı. Simülasyonun ölçeği arttıkça, yüksek çözünürlüğü korumak giderek zorlaştı; karmaşıklık ve hesaplama talepleri önemli ölçüde artarken aynı zamanda çok sayıda fiziksel sürecin dikkate alınmasını gerektirdi.

Ke-Jung Chen, ekiplerinin simülasyon kodunun Avrupa ve Amerika’daki diğer rakip gruplara göre avantajlara sahip olduğunu vurguladı. Önceki ilgili simülasyonlar çoğunlukla tek boyutlu ve birkaç iki boyutlu sıvı modeliyle sınırlıyken, egzotik süpernovalarda çok boyutlu etkiler ve radyasyon, ışık emisyonlarını ve patlamanın genel dinamiklerini etkileyen çok önemli bir rol oynuyor.

Radyasyon hidrodinamiği simülasyonları radyasyon yayılımını ve onun madde ile etkileşimlerini dikkate alır. Radyasyonun taşınmasının bu karmaşık süreci, hesaplama gereksinimleri ve akışkan simülasyonlarından çok daha yüksek zorluklarla birlikte hesaplamaları son derece zorlu hale getiriyor.

Ancak ekibin süpernova patlamalarını modelleme ve büyük ölçekli simülasyonlar yürütme konusundaki zengin deneyimi nedeniyle; nihayet egzotik süpernovaların dünyanın ilk üç boyutlu radyasyon hidrodinamiği simülasyonlarını yaratmayı başardılar.

Araştırma ekibinin bulguları, büyük kütleli yıldızlardaki aralıklı patlama olgusunun, birden fazla sönük süpernovaya benzer özellikler sergileyebileceğini gösteriyor. Farklı patlama dönemlerinden gelen malzemeler çarpıştığında, gaz kinetik enerjisinin yaklaşık %20-30’u radyasyona dönüştürülebilir, bu da süper parlak süpernova olgusunu açıklar.

Dahası, radyasyon soğutma etkisi, püsküren gazın yoğun fakat düzensiz üç boyutlu bir tabaka yapısı oluşturmasına neden olur ve tabakanın bu tabakası, süpernovadaki ışık emisyonunun birincil kaynağı haline gelir. Simülasyon sonuçları, yukarıda bahsedilen egzotik süpernovaların gözlemsel özelliklerini etkili bir şekilde açıklamaktadır.

En son teknolojiye sahip süper bilgisayar simülasyonları sayesinde bu çalışma, egzotik süpernovaların fiziğine dair içgörü kazanmada önemli ilerlemeler kaydediyor. Yeni nesil süpernova araştırma projelerinin başlamasıyla birlikte gökbilimciler daha egzotik süpernovaları tespit edecek ve bu da olağan büyük yıldızların son aşamaları ve patlama mekanizmaları hakkındaki anlayışımızı daha da şekillendirecek.