Neue 3D-Simulationen geben Aufschluss über Supernova-Explosionen

Magnetohydrodynamische Turbulenzen durch neutrinogetriebene Konvektion hinter der Schockwelle einer simulierten Kernkollaps-Supernova. Die Simulation zeigt, dass die Präsenz einer Rotation und schwacher Magnetfelder die Entwicklung des Supernova-Mechanismus dramatisch beeinflusst. Der entstehende Neutronenstern ist im Zentrum gerade sichtbar. (Sean M. Couch, Michigan State University)
Magnetohydrodynamische Turbulenzen durch neutrinogetriebene Konvektion hinter der Schockwelle einer simulierten Kernkollaps-Supernova. Die Simulation zeigt, dass die Präsenz einer Rotation und schwacher Magnetfelder die Entwicklung des Supernova-Mechanismus dramatisch beeinflusst. Der entstehende Neutronenstern ist im Zentrum gerade sichtbar. (Sean M. Couch, Michigan State University)

Am Ende ihres Lebens explodieren massereiche Sterne auf spektakuläre Weise und verstreuen ihr Innerstes, das aus Kohlenstoff, Eisen und im Grunde allen anderen natürlichen Elementen besteht, im Universum. Diese Elemente bilden letztendlich neue Sterne, Sonnensysteme und alles andere im Universum, darunter auch die Bausteine des Lebens auf der Erde. Trotz ihrer fundamentalen Rolle in der Kosmologie sind die Mechanismen, die Supernova-Explosionen auslösen, noch immer nicht sehr gut verstanden.

“Wenn wir die chemische Entwicklung des gesamten Universums verstehen und begreifen wollen, wie die Materie, aus der wir bestehen, gebildet und im Universum verstreut wurde, müssen wir den Supernova-Mechanismus verstehen”, sagte Sean Couch, Assistenzprofessor für Physik und Astronomie an der Michigan State University.

Um Licht auf dieses komplexe Phänomen zu werfen, leitet Couch ein Vorhaben zur Nutzung von Mira, um einige der umfangreichsten und detailliertesten dreidimensionalen Simulationen durchzuführen, die jemals bezüglich Kernkollaps-Supernovae erstellt wurden. Mira ist der 10-Petaflops-Supercomputer der Argonne Leadership Computing Facility (ALCF). Die ALCF ist eine Einrichtung des Office of Science, das dem U.S. Department of Energy (DOE) untersteht.

Nach Millionen Jahren der Fusion zu immer schwereren Elementen verbrauchen diese Überriesensterne (mit mindestens acht Sonnenmassen) ihren nuklearen Brennstoff schließlich und entwickeln einen Eisenkern. Da sie nicht länger in der Lage sind, sich ihrer eigenen Schwerkraft zu widersetzen, beginnen sie zu kollabieren. Aber ein Prozess, der noch nicht vollständig bekannt ist, unterbricht das, kehrt den Kollaps um und lässt den Stern explodieren.

“Was Theoretiker wie ich zu verstehen versuchen, ist der Schritt dazwischen”, sagte Couch. “Wie kommen wir von diesem kollabierenden Eisenkern zu einer Explosion?” Während seiner Arbeit an der ALCF entwickelten und zeigten Couch und sein Team einen 3D-Simulationsansatz, der einen realistischeren Blick auf diesen “Zwischenschritt” bietet als frühere Supernova-Simulationen.

Obwohl diese 3D-Methode noch in ihren Kinderschuhen steckt, sind die ersten Ergebnisse von Couch vielversprechend. Im Jahr 2015 veröffentlichte sein Team eine Abhandlung in den Astrophysical Journal Letters, in deren Rahmen die Forscher ihre 3D-Simulationen der letzten drei Minuten des Eisenkernwachstums in einem Stern mit 15 Sonnenmassen beschrieben. Sie stellten fest, dass genauere Darstellungen der Struktur des Sterns und der von turbulenten Konvektionen erzeugten Bewegungen (mit mehreren hundert Kilometern pro Sekunde) eine entscheidende Rolle für den Zeitpunkt des Kollaps spielen. “Nicht überraschend zeigen wir, dass realistischere Anfangsbedingungen einen bedeutenden Einfluss auf die Ergebnisse haben”, sagte Couch.

Eine weitere Dimension hinzufügen

Trotz der Tatsache, dass Sterne rotieren, Magnetfelder besitzen und keine perfekten Kugeln sind, arbeiteten die meisten ein- und zweidimensionalen Supernova-Simulationen bislang mit nichtrotierenden, unmagnetischen, sphärisch symmetrischen Sternen. Die Wissenschaftler waren gezwungen, diesen vereinfachten Ansatz zu nutzen, weil die Modellierung von Supernovae eine extrem rechenaufwändige Aufgabe ist. Solche Simulationen umfassen hochkomplexe, multiphysikalische Berechnungen und extreme Zeitskalen: Die Sterne entwickeln sich über Millionen von Jahren, und der Supernova-Mechanismus läuft in einer Sekunde ab.

Couch zufolge hat die Arbeit mit unrealistischen Anfangsbedingungen zu Schwierigkeiten geführt, in den Simulationen stabile und konsistente Explosionen auszulösen. Das ist eine lange bestehende Herausforderung in der rechnerischen Astrophysik.

Dank kürzlicher Verbesserungen hinsichtlich Hard- und Software machen Couch und sein Team allerdings deutliche Fortschritte in Richtung genauerer Supernova-Simulationen, indem sie den 3D-Ansatz anwenden.

Die Entwicklung von Petaflop-Supercomputern wie Mira hat es möglich gemacht, genaue Verfahren für Rotation, Magnetfelder und andere komplexe physikalische Prozesse einzubeziehen, was in der Vergangenheit nicht durchführbar war.

“Als wir diese Art von Simulation früher durchführten, haben wir normalerweise die Tatsache ignoriert, dass im Universum Magnetfelder existieren. Das lag daran, dass die Komplexität der Berechnung um den Faktor Zwei anstieg, wenn wir sie in eine Berechnung einbezogen”, sagte Couch. “Aber in unseren Simulationen mit Mira haben wir festgestellt, dass Magnetfelder einen kleinen zusätzlichen Anstoß zum richtigen Zeitpunkt darstellen können, um eine Supernova in Richtung Explosion zu leiten.”

Auf der Softwareseite arbeitet Couch weiterhin mit Computerwissenschaftlern der ALCF zusammen, um den Open-Source FLASH Code und dessen Möglichkeiten zur Simulation von Supernovae zu verbessern. Aber sogar mit heutiger leistungsfähiger Hardware und Software ist es noch nicht möglich, alle relevanten Vorgänge in einer einzigen Simulation zu implementieren. Das würde ein zukünftiges Exaflop-System erfordern, sagte Couch.

“Unsere Simulationen sind nur ein erster Schritt in Richtung wirklich realistischer 3D-Simulationen von Supernovae”, sagte er. “Aber sie liefern bereits einen Machbarkeitsbeweis dafür, dass die letzten Minuten in der Entwicklung eines massereichen Sterns in 3D simuliert werden können und sollten.”

Die Ergebnisse des Teams wurden 2015 in einer Studie mit dem Titel “The Three-Dimensional Evolution to Core Collapse of a Massive Star” in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht (Link zur Studie auf Arxiv.org). Für die Studie wurden außerdem Computerressourcen am Texas Advanced Computing Center der University of Texas in Austin genutzt.

Couchs Supernova-Forschung an der ALCF begann mit einem Director’s Discretionary Award und wird nun mit Rechenzeit fortgesetzt, die ihm vom Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment (INCITE) Programm des DOE zugestanden wurde. Diese Arbeit wird vom Office of Science (Advanced Scientific Computing Research) des DOE und der National Science Foundation finanziert.

Quelle: http://www.anl.gov/articles/3-d-simulations-illuminate-supernova-explosions

(THK)

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