تكشف عمليات المحاكاة ثلاثية الأبعاد الأولى في العالم عن فيزياء المستعرات الأعظم الغريبة

واستخدم فريق دولي من علماء الفلك أجهزة كمبيوتر عملاقة قوية في مختبر لورانس بيركلي الوطني في الولايات المتحدة والمرصد الفلكي الوطني في اليابان. بعد سنوات من البحث المخصص واستهلاك أكثر من خمسة ملايين ساعة كمبيوتر عملاق، قاموا أخيرًا بإنشاء أول محاكاة هيدروديناميكية إشعاعية ثلاثية الأبعاد عالية الدقة في العالم للمستعرات الأعظم الغريبة! سيظهر هذا الاكتشاف في العدد الأخير من ال مجلة الفيزياء الفلكية.

تعد انفجارات السوبرنوفا النهاية الأكثر إثارة للنجوم الضخمة، حيث تكمل دورة حياتها بطريقة مدمرة ذاتيًا، وتطلق على الفور سطوعًا يعادل مليارات الشموس، وتضيء الكون بأكمله. خلال هذا الانفجار، يتم أيضًا إخراج العناصر الثقيلة المتكونة داخل النجم، مما يضع الأساس لولادة نجوم وكواكب جديدة ويلعب دورًا حاسمًا في نشأة الحياة. ولذلك، أصبحت المستعرات الأعظمية واحدة من الموضوعات الرائدة في الفيزياء الفلكية الحديثة، والتي تشمل العديد من الأسئلة الفلكية والفيزيائية الهامة، سواء من الناحية النظرية أو الملاحظة، وتقدم قيمة بحثية كبيرة.

على مدار نصف القرن الماضي، أتاحت لنا الأبحاث اكتساب فهم كامل نسبيًا للمستعرات الأعظم. ومع ذلك، فإن أحدث عمليات الرصد واسعة النطاق للمستعرات الأعظمية بدأت في الكشف عن العديد من الانفجارات النجمية غير العادية (المستعرات الأعظم الغريبة)، والتي تتحدى وتقلب المعرفة السابقة في فيزياء المستعرات الأعظم.

أسرار المستعرات الأعظم الغريبة

من بين المستعرات الأعظمية الغريبة، تعد المستعرات الأعظمية فائقة الإضاءة والمستعرات الأعظمية المضيئة إلى الأبد هي الأكثر إثارة للحيرة. يبلغ سطوع المستعرات الأعظم فائقة الإضاءة حوالي 100 مرة سطوع المستعرات العظمى العادية، والتي عادة ما تحافظ على سطوعها لمدة تتراوح بين بضعة أسابيع إلى 2-3 أشهر فقط. في المقابل، يمكن للمستعرات الأعظمية المكتشفة حديثًا أن تحافظ على سطوعها لعدة سنوات أو حتى لفترة أطول.

والأمر الأكثر إثارة للدهشة هو أن عددًا قليلًا من المستعرات الأعظمية الغريبة تظهر اختلافات غير منتظمة ومتقطعة في السطوع، تشبه الانفجارات الشبيهة بالنافورة. يمكن لهذه المستعرات الأعظمية أن تحمل المفتاح لفهم تطور النجوم الأكثر ضخامة في الكون.

تصور هذه الصورة التوزيعات الفيزيائية النهائية للمستعر الأعظم الغريب، مع أربعة أرباع ألوان مميزة تمثل كميات فيزيائية مختلفة: I. درجة الحرارة، II. السرعة، ثالثا. كثافة الطاقة الإشعاعية، والرابع. كثافة الغاز. تشير الدائرة المنقطة البيضاء إلى موضع الغلاف الضوئي للمستعر الأعظم. ومن هذه الصورة يصبح النجم بأكمله مضطربا من الداخل إلى الخارج. تتطابق المواضع التي تصطدم فيها المواد المقذوفة بشكل وثيق مع الغلاف الضوئي، مما يشير إلى إنتاج الإشعاع الحراري أثناء هذه التصادمات، والذي ينتشر بشكل فعال إلى الخارج ويخلق في الوقت نفسه طبقة غير مستوية من الغاز. تساعدنا هذه الصورة على فهم الفيزياء الكامنة وراء المستعرات الأعظمية الغريبة وتوفر تفسيرًا للظواهر المرصودة. الائتمان: كي جونغ تشن / آسيا

الأصول والهياكل التطورية

لم يتم بعد فهم أصول هذه المستعرات الأعظمية الغريبة بشكل كامل، لكن علماء الفلك يعتقدون أنها قد تأتي من نجوم ضخمة غير عادية. بالنسبة للنجوم التي تتراوح كتلتها بين 80 إلى 140 مرة كتلة الشمس، فمع اقترابها من نهاية حياتها، تخضع قلوبها لتفاعلات اندماج الكربون. خلال هذه العملية، يمكن للفوتونات عالية الطاقة إنشاء أزواج إلكترون-بوزيترون، مما يؤدي إلى نبضات في النواة ويؤدي إلى عدة تقلصات عنيفة.

تطلق هذه الانقباضات كميات كبيرة من طاقة الاندماج وتؤدي إلى انفجارات، مما يؤدي إلى توهجات كبيرة في النجوم. قد تكون هذه التوهجات نفسها مشابهة لانفجارات المستعرات الأعظم العادية. بالإضافة إلى ذلك، عندما تتصادم مواد من فترات ثوران مختلفة، فمن الممكن إنتاج ظواهر مشابهة للمستعرات الأعظمية فائقة السطوع.

في الوقت الحالي، يعد عدد هذه النجوم الضخمة في الكون نادرًا نسبيًا، وهو ما يتوافق مع ندرة مستعرات عظمى معينة. ولذلك، يشتبه العلماء في أن النجوم التي تتراوح كتلتها بين 80 إلى 140 مرة كتلة الشمس هي على الأرجح أسلاف مستعرات عظمى معينة. ومع ذلك، فإن الهياكل المتطورة غير المستقرة لهذه النجوم تجعل نمذجتها صعبة للغاية، وتظل النماذج الحالية محصورة بشكل أساسي في عمليات المحاكاة أحادية البعد.

حدود النماذج السابقة

ومع ذلك، تم العثور على عيوب خطيرة في النماذج السابقة أحادية البعد. تولد انفجارات المستعرات الأعظم اضطرابات كبيرة، ويلعب الاضطراب دورًا حاسمًا في انفجار وسطوع المستعرات الأعظم. ومع ذلك، فإن النماذج أحادية البعد غير قادرة على محاكاة الاضطراب من المبادئ الأولى. جعلت هذه التحديات الفهم المتعمق للآليات الفيزيائية وراء المستعرات الأعظم الغريبة مشكلة كبيرة في الفيزياء الفلكية النظرية الحالية.

قفزة إلى الأمام في قدرات المحاكاة

قدمت هذه المحاكاة عالية الدقة لانفجارات المستعرات الأعظم تحديات هائلة. مع زيادة حجم المحاكاة، أصبح الحفاظ على دقة عالية أمرًا صعبًا بشكل متزايد، مما أدى إلى زيادة التعقيد والمتطلبات الحسابية بشكل كبير، بينما يتطلب أيضًا مراعاة العديد من العمليات الفيزيائية. وأشار Ke-Jung Chen إلى أن كود المحاكاة الخاص بفريقهم يتمتع بمزايا مقارنة بالمجموعات المنافسة الأخرى في أوروبا وأمريكا.

كانت عمليات المحاكاة السابقة ذات الصلة مقتصرة بشكل أساسي على نماذج السوائل أحادية البعد وعدد قليل من نماذج السوائل ثنائية الأبعاد، بينما في المستعرات الأعظم الغريبة، تلعب التأثيرات متعددة الأبعاد والإشعاع دورًا حاسمًا، حيث تؤثر على انبعاثات الضوء وديناميكيات السائل بشكل عام.

قوة محاكاة الإشعاع الهيدروديناميكي

تأخذ عمليات محاكاة الإشعاع الهيدروديناميكي في الاعتبار انتشار الإشعاع وتفاعلاته مع المادة. إن عملية النقل الإشعاعي المعقدة هذه تجعل الحسابات صعبة للغاية، مع متطلبات وصعوبات حسابية أكبر بكثير من تلك الخاصة بمحاكاة السوائل. ومع ذلك، وبفضل خبرة الفريق الغنية في نمذجة انفجارات المستعرات الأعظم وإجراء عمليات محاكاة واسعة النطاق؛ لقد نجحوا في النهاية في إنشاء أول محاكاة هيدروديناميكية إشعاعية ثلاثية الأبعاد في العالم للمستعرات الأعظم الغريبة.

النتائج والتداعيات

تشير نتائج فريق البحث إلى أن ظاهرة التوهجات المتقطعة في النجوم الضخمة قد تظهر خصائص مشابهة لتلك الخاصة بالمستعرات الأعظمية متعددة الشدة. عندما تتصادم مواد من فترات ثوران مختلفة، يمكن تحويل حوالي 20-30% من الطاقة الحركية للغاز إلى إشعاع، وهو ما يفسر ظاهرة المستعرات الأعظمية فائقة السطوع.

بالإضافة إلى ذلك، فإن تأثير التبريد الإشعاعي يتسبب في تشكيل الغاز المتفجر لبنية صفائحية ثلاثية الأبعاد كثيفة ولكن غير متساوية، وتصبح هذه الطبقة من الصفائح المصدر الرئيسي لانبعاث الضوء في المستعر الأعظم. تشرح نتائج المحاكاة الخاصة بهم بشكل فعال الخصائص الرصدية للمستعرات الأعظمية الغريبة المذكورة أعلاه.

باستخدام أحدث عمليات محاكاة الكمبيوتر العملاق، تحقق هذه الدراسة تقدمًا كبيرًا في فهم فيزياء المستعرات الأعظم الغريبة. ومع إطلاق مشاريع المستعرات الأعظم من الجيل التالي، سيكتشف علماء الفلك المزيد من المستعرات الأعظم الغريبة، مما يؤدي إلى فهم أفضل للمراحل النهائية للنجوم الضخمة النموذجية وآليات انفجارها.

المرجع: “عمليات المحاكاة الهيدروديناميكية الإشعاعية متعددة الأبعاد للمستعرات الأعظمية غير المستقرة الزوجية النابضة” بقلم Ke-Jung Chen وDaniel J. Whalen وSE Woosley وWeiqun Zhang، 14 سبتمبر 2023، مجلة الفيزياء الفلكية.
دوى: 10.3847/1538-4357/ace968