Взрыв сверхновой – отличный пример катаклизма на масштабах галактики. Сотрудники Института астрофизики Общества имени Макса Планка попытались заглянуть вглубь умирающей звезды, чтобы разобраться с рождением нейтронной звезды в центре отжившего обычного светила. С помощью численного моделирования им удалось воссоздать трехмерную картину физических процессов внутри умирающей звезды – потоки материи, падающей на звезду и создающей огромную плотность вещества.

Известно, что все звезды с массой от 8 до 10 солнечных заканчивают свою жизнь в мощном взрыве. При этом в галактику звезды выбрасывается огромное количество материи ее атмосферы и поверхности. Яркость сверхновой находится в ряду самых заметных явлений во Вселенной, и во время взрыва звезда легко может затмить всю свою галактику. Однако для галактики смерть звезды полезна. Она обогащается химическими элементами, созданными внутри умершей звезды в конце ее жизни, когда главное топливо – водород – заканчивается и вместо него используются все более тяжелые элементы. После этого на месте звезды остается ее труп – нейтронная звезда, уже оказывающая минимальное воздействие на галактику. Фактически, в масштабах галактики остается лишь гравитационное поле, хотя и меньшее, чем у бывшей звезды.

Тем не менее, нейтронные звезды представляют интерес для астрофизиков, ведь их число все пребывает, а состояние материи в них таково, что его с трудом описывают современные теории. Материя, масса которой достигает до полутора солнечных, оказывается заключенной внутри пространства небольшого земного города. Процесс рождения такого объекта не менее уникален. Хотя большая часть процессов, с которыми имеют дело астрофизики, имеют характерные времена в тысячи, миллионы и даже миллиарды лет, нейтронная звезда рождается лишь за малую долю секунды. Когда излучение звезды оказывается неспособно противодействовать гравитации, она сжимает материю до предела, где место угасшей электромагнитной силы занимает сильное взаимодействие. Плотность нейтронной звезды не может превзойти плотность ядра атома.

Несмотря на то, что общая картина взрыва и его причины ясны, пока не удается выяснить, что именно запускает процесс в то время, когда состояние звезды его уже допускает. Возможно, взрыв начинается с нагрева, вызванного нейтрино. Эти элементарные частицы выбрасываются в космос в огромных количествах во время взрыва сверхновой. Нейтрино могут передавать свою энергию газу звезды, нагревая ее. В результате внутри звезды возникает ударная волна, которая нарушает хрупкое равновесие между гравитацией и излучением.

Изложенный сценарий выглядит логичным, но с его подтверждением есть большие проблемы. Происходящее внутри сверхновой не может наблюдаться современными телескопами, и эти процессы невозможно воспроизвести в лаборатории. Остается полагаться на компьютерное моделирование. Впрочем, здесь ситуация не менее сложная. Учет наиболее сложных эффектов, включение в модель поведения нейтрино приводит к необходимости ограничиваться двумерным моделированием. Фактически, предполагается, что звезда обладает полной симметрией относительно оси вращения, что, конечно, неверно, особенно в принципиально неравномерных условиях взрыва. Либо можно отказаться от учета части факторов, упростить модель. Вместо качественного подхода к решению задачи, сотрудники Института астрофизики применили количественный, получив 150 миллионов процессорных часов на суперкомпьютерах. «Для наших целей мы использовали около 16000 ядер в параллельных вычислениях, и при этом расчет программы занял 4.5 месяца», – говорит один из исследователей Флориан Ханке.

Одного расчета оказалось недостаточно. Анализ собранных данных занял много времени, так в результате было сохранено более миллиарда мегабайт данных. Впрочем, после разбора этих данных получился довольно простой результат. Газ внутри взрывающейся звезды оказался способным к практически обычной конвекции, при этом нейтрино были ответственны за нагрев. Были, однако, найдены и следы неравномерностей. Так, в некоторых местах сверхновой было обнаружено быстрое движение в направлении, отличном от равномерно расширения газа сверхновой. Результатом таких неравномерностей является отличает остатков сверхновых от сферы. Этот эффект был ранее получен в расчетах с упрощенными моделями. При этом была найдена аналогия между движением материи сверхновой звезды и неустойчивым круговым потоком воды, испытывающим резкое увеличение давления. Правда, в такой модели можно обойти нейтрино как источник тепла. Из-за этого процесс нарушения устойчивости и создания ударной волны ставился под сомнение. Однако новый трехмерный расчет укрепляет позиции нейтрино.

«Процесс создания ударной волн не только является главенствующим фактором в движении масс внутри взрыва, но также определяет параметры излучения нейтрино и гравитационных волн, что делает теорию проверяемой. Надо лишь дождаться взрыва мощной сверхновой в нашей галактике. Возникающая неустойчивость также способна привести к сильной несимметричности взрыва, за счет которой рождающаяся нейтронная звезда приобретает огромную линейную скорость и ускоряет вращение, что также может наблюдаться», – рассуждает Бернард Мюллер.