La phase nébuleuse de la supernova super-lumineuse alimentée par magnétar de notre simulation 3D. À l'heure actuelle, l'éjecta de la supernova a atteint une taille similaire à celle du système solaire. Un mélange à grande échelle apparaît dans les régions externe et interne des éjectas. Les courbes de lumière et les spectres résultants sont sensibles au mélange qui dépend de la structure stellaire et des propriétés physiques du magnétar. Crédit :Ken Chen
Pendant la majeure partie du 20e siècle, les astronomes ont parcouru le ciel à la recherche de supernovae - la mort explosive d'étoiles massives - et de leurs restes à la recherche d'indices sur l'ancêtre, les mécanismes qui l'ont fait exploser, et les éléments lourds créés dans le processus. En réalité, ces événements créent la plupart des éléments cosmiques qui forment de nouvelles étoiles, galactique, et la vie.
Parce que personne ne peut réellement voir une supernova de près, les chercheurs s'appuient sur des simulations de superordinateurs pour leur donner un aperçu de la physique qui déclenche et entraîne l'événement. Maintenant pour la toute première fois, une équipe internationale d'astrophysiciens a simulé la physique tridimensionnelle (3D) des supernovae superlumineuses, qui sont environ cent fois plus lumineuses que les supernovae typiques. Ils ont atteint cette étape en utilisant le code CASTRO du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et les superordinateurs du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Un article décrivant leur travail a été publié dans Journal d'astrophysique .
Les astronomes ont découvert que ces événements superlumineux se produisent lorsqu'un magnétar - le cadavre en rotation rapide d'une étoile massive dont le champ magnétique est des milliards de fois plus fort que celui de la Terre - est au centre d'une jeune supernova. Le rayonnement émis par le magnétar est ce qui amplifie la luminosité de la supernova. Mais pour comprendre comment cela se passe, les chercheurs ont besoin de simulations multidimensionnelles.
"Pour faire des simulations 3D de supernovae superlumineuses magnétar, vous avez besoin de beaucoup de puissance de calcul et du bon code, celui qui capture la microphysique pertinente, " a déclaré Ken Chen, auteur principal de l'article et astrophysicien à l'Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA), Taïwan.
Le noyau turbulent d'une bulle magnétar à l'intérieur des supernovae superlumineuses. Le codage couleur indique les densités. Le magnétar est situé au centre de cette image et deux sorties bipolaires en sont émises. La taille physique de la sortie est d'environ 10, 000 km. Crédit :Ken Chen
Il ajoute que la simulation numérique nécessaire pour capturer les instabilités fluides de ces événements superlumineux en 3-D est très complexe et nécessite beaucoup de puissance de calcul, c'est pourquoi personne ne l'a fait avant.
Des instabilités fluides se produisent tout autour de nous. Par exemple, si vous avez un verre d'eau et mettez de la teinture dessus, la tension superficielle de l'eau deviendra instable et le colorant le plus lourd coulera au fond. Parce que deux fluides se déplacent l'un l'autre, la physique de cette instabilité ne peut pas être capturée dans une dimension. Vous avez besoin d'une deuxième ou troisième dimension, perpendiculaire à la hauteur pour voir toute l'instabilité. A l'échelle cosmique, les instabilités des fluides qui conduisent à la turbulence et au mélange jouent un rôle essentiel dans la formation d'objets cosmiques comme les galaxies, étoiles, et supernovae.
"Vous devez capturer la physique sur une gamme d'échelles, du très grand au très petit, en très haute résolution pour modéliser avec précision des objets astrophysiques comme les supernovae superlumineuses. Cela représente un défi technique pour les astrophysiciens. Nous avons pu surmonter ce problème avec un nouveau schéma numérique et plusieurs millions d'heures de calcul intensif au NERSC, " dit Chen.
Pour ce travail, les chercheurs ont modélisé un reste de supernova d'environ 15 milliards de kilomètres de large avec un magnétar dense de 10 kilomètres de large à l'intérieur. Dans ce système, les simulations montrent que des instabilités hydrodynamiques se forment à deux échelles dans le matériau résiduel. Une instabilité se trouve dans la bulle chaude alimentée par le magnétar et l'autre se produit lorsque le choc avant de la jeune supernova se heurte au gaz ambiant.
Noyau turbulent de la bulle magnétar à l'intérieur des supernovae superlumineuses. Le codage couleur indique les densités. Le magnétar est situé au centre de cette image. Les fortes turbulences sont causées par le rayonnement du magnétar central. Crédit :Ken Chen
"Ces deux instabilités de fluide provoquent plus de mélange que ce qui se produirait normalement dans un événement de supernova typique, ce qui a des conséquences importantes sur les courbes de lumière et les spectres des supernovae superlumineuses. Rien de tout cela n'aurait été capturé dans un modèle unidimensionnel, " dit Chen.
Ils ont également découvert que le magnétar peut accélérer les éléments de calcium et de silicium qui ont été éjectés de la jeune supernova à des vitesses de 12, 000 kilomètres par seconde, qui expliquent leurs raies d'émission élargies dans les observations spectrales. Et que même l'énergie des magnétars faibles peut accélérer des éléments du groupe du fer, qui sont situés profondément dans le reste de la supernova, à 5, 000 à 7, 000 kilomètres par seconde, ce qui explique pourquoi le fer est observé tôt dans les événements de supernovae avec effondrement du cœur comme SN 1987A. C'est un mystère de longue date en astrophysique.
"Nous avons été les premiers à modéliser avec précision un système de supernova superlumineuse en 3D car nous avons eu la chance d'avoir accès aux supercalculateurs NERSC, " a déclaré Chen. "Cette installation est un endroit extrêmement pratique pour faire de la science de pointe."
