Das Auftreten von Hypernovae wird durch einen turbulenten magnetischen "idealen Sturm" verursacht.

Das Auftreten von Hypernovae wird durch einen turbulenten magnetischen

Obwohl intensive Magnetfelder lange Zeit als Ursache der mächtigsten Supernovae galten, haben Astrophysiker ein Computermodell des Magnetfelds erstellt, das zeigt, was in einem sterbenden Stern passiert, bevor er sich in ein Weltraummonster verwandelt.

Wenn massive Sterne sterben, explodieren sie. Aber manchmal explodieren solche Sterne sehr stark und erzeugen eine der stärksten Explosionen im beobachtbaren Universum.

Wenn ein massereicher Stern seinen Wasserstoffvorrat erschöpft, bewirkt die starke Schwerkraft im Kern eine allmähliche Verschmelzung seiner massereicheren Elemente. Auf einer kosmischen Skala ist dieser Prozess schnell. Sobald jedoch die Fusion mit Eisen stattfindet, stoppt der Prozess abrupt. Die thermonukleare Reaktion im Kern hört auf und die Schwerkraft versucht, sie vollständig zu zerstören.

Innerhalb von nur einer Sekunde wird der Kern des Sterns stark zusammengedrückt und sein Durchmesser nimmt von 1.000 auf 10 Meilen ab, was zur Entstehung von wirklich gigantischen Stoßwellen führt, die den Stern infolgedessen zerreißen. Kurz gesagt, geschieht Folgendes: Der Stern erschöpft seinen Treibstoff, Kompression, Stoßwellen, massive Explosion. Alles, was davon übrig bleibt, ist eine sich schnell ausdehnende Wolke aus heißem Gas und ein winziger Neutronenstern, der sich schnell an der Stelle dreht, an der sich der Kern befand.

Dieses Modell ist verständlich und gut geeignet zu erklären, wie massereiche Sterne sterben. Aber manchmal bemerken Astronomen in den entlegensten Winkeln des Universums Explosionen von Sternen, deren Kraft weit über die hinausgeht, die mit traditionellen Supernova-Modellen erklärt werden kann. Solche Explosionen werden als Gammastrahlenexplosionen bezeichnet, und es wird angenommen, dass ihr Auftreten durch eine spezielle Art von Supernova, die Hypernova, verursacht wird. Neben der Tatsache, dass Hypernova nach einem Bösewicht aus einem auf Marvel-Comics basierenden Film benannt ist, verkörpert es auch die magnetische Intensität. Der Zusammenbruch des Kerns eines massereichen Sterns führt nicht nur zu einer raschen Zunahme seiner Dichte. Der Stern dreht sich weiter und wie eine Eiskunstläuferin, die beim Drehen ihre Hände an sich drückt, beginnt sich der kollabierende Kern des kollabierenden Sterns schnell zu "entspannen". Mit der Rotation werden die turbulenten Ströme in den Emissionen des überhitzten Plasmas und des Magnetfelds des Sterns extrem konzentriert.

Das Auftreten von Hypernovae wird durch einen turbulenten magnetischen

Hypernova-Stern mit 2 Gammastrahlen (nach Ansicht des Künstlers)

Bisher galten die Auswirkungen des Zusammenbruchs des Supernova-Kerns als hinreichend gut untersucht - theoretisch aber durch Beobachtungen von Supernovae bestätigt. Der Mechanismus von Hypernovae (und Gamma-Bursts) ist jedoch bis zu diesem Zeitpunkt noch nicht vollständig untersucht worden.

Mithilfe von Simulationen auf einem der leistungsstärksten Supercomputer der Welt erstellte ein internationales Forscherteam ein Hypernova-Kernmodell während eines Zusammenbruchs, einen Bruchteil einer Sekunde nach der Explosion. Und was sie entdeckten, kann dabei helfen, das Rätsel der Gammastrahlenexplosionen zu lösen.

Es wird angenommen, dass die hohe Energie von Gammastrahlenausbrüchen durch etwas verursacht wird, das im Kern eines massereichen Sterns während seines Zusammenbruchs und seiner Umwandlung in eine Supernova auftritt. Etwas, das Materie und Energie in entgegengesetzte Richtungen ausstößt und zwei hoch konzentrierte (oder kollimierte) Strahlen bildet, die aus den Magnetpolen einer Supernova austreten. Diese Jets sind so intensiv, dass, wenn einer von ihnen auf die Erde gerichtet ist, die von ihr ausgehende Strahlung den Eindruck erweckt, dass sie durch eine viel stärkere Explosion verursacht wird als die Explosion einer gewöhnlichen Supernova. "Wir haben versucht, den grundlegenden Mechanismus, das Hauptwerkzeug, zu finden und herauszufinden, warum der Zusammenbruch eines Sterns zur Bildung solcher Jets führen kann", sagte Eric Schnetter vom Institut für Theoretische Physik in Waterloo, Ontario, der ein Modell für die Erstellung eines Simulators des Sterbens entwickelte Sterne

Um zu verstehen, warum diese Jets so mächtig sind, stellen Sie sich einen Dynamitstab vor, der auf den Boden gelegt und eine Kanonenkugel darauf gelegt wurde. Wenn das Dynamit explodiert, gibt es einen lauten Knall und möglicherweise bleibt ein kleiner Rauchtrichter davon zurück. Aber die Kanonenkugel wird wahrscheinlich nicht weit fliegen. Höchstwahrscheinlich ein wenig aufspringen und in den Trichter rutschen. Wenn Sie jedoch dasselbe Dynamit in ein Metallrohr einfüllen, schließen Sie ein Ende und rollen Sie eine Kanonenkugel ins Freie. Während der Explosion wird die gesamte Energie am offenen Ende des Rohrs konzentriert und der Kern fliegt Hunderte von Metern ab.

In Analogie zu Dynamit wird der größte Teil der Energie der Hypernova in zwei Strahlen konzentriert, die sich in den magnetischen „Röhren“ befinden. Wenn wir also einen auf uns gerichteten Strahl sehen, scheint er um ein Vielfaches heller (und stärker) zu sein als die Helligkeit seiner Komponenten, wenn eine Supernova seiner Energie in alle Richtungen ausgestrahlt wird. Dies ist ein Gammastrahlenausbruch.

Der Entstehungsprozess solcher Jets war jedoch nahezu unverständlich. Die Modellierung des Supercomputers Blue Waters am Nationalen Zentrum für Supercomputeranwendungen der Universität von Illinois in Urbana-Champaign, die zwei Wochen dauerte, ergab jedoch einen extrem starken Dynamo, der durch Turbulenzen in Bewegung gesetzt wurde, was wahrscheinlich die Ursache für all dies ist. "Mit Hilfe eines Dynamos fallen kleine magnetische Strukturen in einen massereichen Stern und verwandeln sich in immer größere magnetische Strukturen, die für die Bildung von Hypernovae und langen Gammastrahlen-Bursts erforderlich sind", veröffentlichte der erste Autor der Studie, Dr. Phillip Mosta von der University of California in Berkeley in der Zeitschrift Nature. "Dies startet den gesamten Prozess."

„Lange wurde geglaubt, dass dies möglich ist. Und jetzt haben wir es auch gezeigt. “

Die Forscher haben die kleinräumige Struktur des Kerns eines sterbenden Sterns während eines Zusammenbruchs nachgebildet und zum ersten Mal gezeigt, dass ein Mechanismus namens "magnetische Rotationsinstabilität" starke magnetische Bedingungen im Inneren des Hypernova-Kerns verursachen kann, die zur Bildung starker Jets beitragen.

Es ist bekannt, dass sich verschiedene Schichten eines Sterns mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen. Sogar unsere Sonne hat eine unterschiedliche Rotation. Wenn der Kern eines massereichen Sterns zusammenbricht, verursacht die Differenzialrotation starke Instabilität und erzeugt Turbulenzen, die Magnetfelder in Röhren mit starkem Magnetfluss verwandeln. Eine solche schnelle Ausrichtung entlang einer Linie beschleunigt das Sternplasma, was wiederum die Rotation des Magnetfelds um das Billiardenfache (dies ist 1 mit 15 Nullen) erhöht. Dieser Teufelskreis führt zu einer schnellen Freisetzung von Material aus den Magnetpolen und löst den Mechanismus der Hypernova- und Gammastrahlenexplosion aus.

Laut Most ähnelt diese Situation der Entstehung starker Wirbelstürme in der Erdatmosphäre. Kleine turbulente Strömungen verschmelzen zu einem großen Zyklon. Daher kann die Hypernova als „idealer Sturm“ betrachtet werden, bei dem eine kleine Turbulenz im kollabierenden Kern starke Magnetfelder erzeugt, die unter geeigneten Bedingungen zur Bildung intensiver Materiestrahlen führen. "Wir haben die erste groß angelegte Simulation dieses Prozesses in sehr hoher Auflösung durchgeführt, die die Bildung eines großen globalen Feldes aus einem außergewöhnlich turbulenten Feld demonstriert", sagte Most. "Die Simulation zeigt auch den Mechanismus der Bildung von Magnetaren und Neutronensternen mit einem sehr starken Magnetfeld, wodurch eine spezielle Klasse sehr heller Supernova entstehen kann."

Obwohl es an sich interessant ist, die stärksten Explosionen im Universum zu untersuchen, kann diese Studie auch dazu beitragen, zu verstehen, wie einige der schwersten Elemente unseres Universums entstanden sind.

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