Egzotik süpernovanın üç boyutlu simülasyonu, patlama sırasında madde püskürmesi sırasında oluşan türbülanslı yapıları ortaya çıkarıyor. Bu türbülanslı yapılar daha sonra tüm süpernovanın parlaklığını ve patlama yapısını etkiler. Düzensiz sıvı hareketinden kaynaklanan ve karmaşık dinamiklere yol açan türbülans, süpernova patlaması sürecinde kritik bir rol oynar. Bu türbülanslı yapılar maddeyi karıştırıp bozarak enerjinin salınımını ve aktarımını etkileyerek süpernovanın parlaklığını ve görünümünü etkiler. Üç boyutlu simülasyonlar aracılığıyla bilim insanları, tuhaf süpernova patlamalarının fiziksel süreçlerine ilişkin daha derin bilgiler ediniyor ve bu olağanüstü süpernovaların gözlemlenen olaylarını ve özelliklerini açıklayabiliyor. Kredi bilgileri: Ke-Jung Chen/ASIAA
Uluslararası bir gökbilimci ekibi, ABD’deki Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı ve Japonya Ulusal Astronomi Gözlemevi’nin güçlü süper bilgisayarlarını kullandı. Yıllar süren özel araştırmalardan ve beş milyondan fazla süper bilgisayar hesaplama saatini harcadıktan sonra, nihayet egzotik süpernovalar için dünyanın ilk yüksek çözünürlüklü 3 boyutlu radyasyon hidrodinamiği simülasyonlarını yarattılar! Bu bulgu derginin son sayısında yer alacak. Astrofizik Dergisi.
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 görkemli sonlardır. Bu patlama sırasında yıldızın içinde oluşan ağır elementler de dışarı atılarak yeni yıldız ve gezegenlerin doğuşunun temeli atılır ve yaşamın oluşumunda önemli rol oynar. Bu nedenle süpernovalar, hem teoride hem de gözlemde çok sayıda önemli astronomik ve fiziksel konuyu kapsayan ve önemli araştırma değeri taşıyan modern astrofizikte ön planda yer alan konulardan biri haline gelmiştir.
Geçtiğimiz yarım yüzyılda yapılan araştırmalar bize süpernovaya ilişkin nispeten kapsamlı bir anlayış sağladı. Bununla birlikte, en son büyük ölçekli süpernova araştırması gözlemleri, daha önce kurulmuş olan süpernova fiziği bilgisine meydan okuyan ve onları altüst eden birçok olağandışı yıldız patlamasını (egzotik süpernova) ortaya çıkarmaya başladı.
Egzotik Süpernova Gizemleri
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 2-3 aya kadar korurlar. Buna karşılık, yakın zamanda keşfedilen sonsuz parlak süpernovalar parlaklıklarını birkaç yıl, hatta daha uzun süre koruyabiliyor.
Daha da şaşırtıcı olan şey, 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 görüntü, egzotik süpernovanın son fiziksel dağılımlarını, farklı fiziksel miktarları temsil eden dört farklı renk çeyreğiyle tasvir ediyor: I. sıcaklık, II. hız, III. ışınımsal enerji yoğunluğu ve IV. gaz yoğunluğu. Beyaz kesikli daire, süpernova fotosferinin konumunu gösterir. Bu görüntüde yıldızın tamamı içten dışa doğru çalkantılı hale geliyor. Fırlatılan malzemelerin çarpıştığı konumlar, fotosferle yakından eşleşiyor; bu, bu çarpışmalar sırasında verimli bir şekilde dışarı doğru yayılan ve aynı anda düzensiz bir gaz tabakası oluşturan termal radyasyonun üretimini gösteriyor. Bu görüntü, egzotik süpernovaların altında yatan fiziğini anlamamıza yardımcı oluyor ve gözlemlenen olaylara ilişkin bir açıklama sağlıyor. Kredi bilgileri: Ke-Jung Chen/ASIAA
Kökenler ve Evrimsel Yapılar
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, Güneş’in kütlesinin 80 ila 140 katı arasında değişen kütlelere sahip yıldızların, büyük olasılıkla tuhaf süpernovaların öncüleri olabileceğinden şüpheleniyorlar. Ancak bu yıldızların kararsız evrimsel yapıları modellemelerini oldukça zorlaştırıyor ve mevcut modeller çoğunlukla tek boyutlu simülasyonlarla sınırlı kalıyor.
Önceki Modellerin Sınırlamaları
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, egzotik süpernovaların ardındaki fiziksel mekanizmaların derinlemesine anlaşılmasını, mevcut teorik astrofizikte hala önemli bir sorun haline getirmiştir.
Simülasyon Yeteneklerinde Bir Atılım
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 Simülasyonlarının Gücü
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.
Bulgular ve Çıkarımlar
Araştırma ekibinin bulguları, büyük 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.
Ayrıca, 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.
Bu çalışma, son teknoloji ürünü süper bilgisayar simülasyonları sayesinde 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.
Referans: Ke-Jung Chen, Daniel J. Whalen, SE Woosley ve Weiqun Zhang, 14 Eylül 2023, “Darbeli Çift Kararsızlık Süpernovalarının Çok Boyutlu Radyasyon Hidrodinamik Simülasyonları”, Astrofizik Dergisi.
DOI: 10.3847/1538-4357/ace968