Ученым удалось смоделировать термоядерный взрыв в космическом пространстве

Компьютерное моделирование дает новое представление о поведении нейтронных звезд-каннибалов. Когда нейтронная звезда поглощает материал другого тела, нестабильное термоядерное воспламенение этого накопленного материала может привести к мощному взрыву, который посылает рентгеновское излучение по всей Вселенной.

Как именно эти мощные извержения развиваются и распространяются по поверхности нейтронной звезды, остается загадкой. Но пытаясь воспроизвести вспышки с помощью моделирования, ученые узнают больше о том, как они происходят, а также о сверхплотных нейтронных звездах.

«С помощью моделирования мы можем увидеть эти события в мельчайших деталях, — говорит вычислительный астрофизик Майкл Зингейл из Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук. — Мы хотим изучить свойства нейтронной звезды, чтобы понять, как ведет себя материя при экстремальных плотностях, которые можно обнаружить в нейтронной звезде».

Нейтронные звезды — одни из самых плотных объектов во Вселенной. Это то, что остается после того, как массивная звезда прожила свою жизнь, исчерпала запасы топлива и взорвалась и превратилась в сверхновую. В то время как вещество с поверхности выбрасывается в космос, ядро звезды разрушается под действием гравитации, образуя сверхплотный шар размером около 20 км в диаметре, масса которого превышает массу Солнца в 2,3 раза.

Материя, спрессованная так плотно, может вести себя необычно. Ученые изучают термоядерные взрывы, чтобы установить их масштабы, что, в свою очередь, поможет понять, что происходит внутри них. Мы не можем приблизиться к нейтронной звезде, чтобы посмотреть на нее поближе, но можно собрать всю возможную информацию о вспышках нейтронных звезд и попытаться создать симуляцию, результаты которой совпадут с данными наблюдений.

Звучит просто, но физика нейтронных звезд очень сложна, и моделирование их поведения требует больших вычислительных мощностей. В предыдущей работе исследователи использовали суперкомпьютер Summit в Национальной лаборатории Оук-Ридж для моделирования термоядерного пламени в двух измерениях. Теперь они опираются на результаты этой работы и масштабируют свои симуляции до третьего измерения.

Модель трехмерной нейтронной звезды имела температуру в несколько миллионов раз выше, чем Солнце, и скорость вращения 1 тыс. оборотов в секунду, что довольно близко к теоретическому верхнему пределу скорости вращения нейтронной звезды. Затем исследователи смоделировали раннюю эволюцию термоядерного пламени.

Несмотря на то, что пламя в 2D-симуляции распространялось немного быстрее, чем в 3D-версии, тенденции роста в обеих моделях были очень похожи. Это означает, что 2D-моделирование остается хорошим инструментом для изучения термоядерных взрывов, но все еще существуют некоторые ограничения.

Например, турбулентность ведет себя по-разному в двух и трех измерениях. Однако возможность использовать 2D-симуляцию может освободить вычислительную мощность для других исследований. «Мы близки к тому, чтобы смоделировать распространение пламени по всей звезде от полюса до полюса, — говорит Зингале. — Это потрясающе».

До этого ученые выяснили, что принесло свет в темную и бесформенную пустоту ранней Вселенной. Согласно данным космических телескопов «Хаббл» и «Джеймс Уэбб», источником свободно летающих фотонов на раннем космическом рассвете были карликовые галактики, которые вспыхнули, очистив мутный туман водорода, заполнивший межгалактическое пространство.