Υπερυπολογιστής προσομοιώνει ακραία αστρική φυσική

Πηγή: ScienceDaily, 3 Μαΐου 2008

Ειδικοί θα χρησιμοποιήσουν 22 εκατομμύρια υπολογιστικές ώρες την επόμενη χρονιά, σε έναν από τους ισχυρότερους υπερυπολογιστές σε παγκόσμιο επίπεδο, με σκοπό να προσομοιώσουν ένα αστρικό γεγονός που διαρκεί λιγότερο από πέντε δευτερόλεπτα.

Οι Robert Fisher και Cal Jordan, που είναι μέλη της επιστημονικής ομάδας, χρειάζονται τεράστιους υπολογιστικούς πόρους στον τομέα της επιστήμης τους. Η εργασία τους που γίνεται στο πανεπιστήμιο του Σικάγου για τις αστροφυσικές θερμοπυρηνικές εκρήξεις, εξερευνά πώς εφαρμόζονται οι νόμοι της φύσης σε φυσικά φαινόμενα με απίστευτα ακραίες θερμοκρασίες και πιέσεις. Ο υπερυπολογιστής Blue Gene/P στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne θα είναι ένα από τα κύρια εργαλεία τους για τα αστέρια που εκρήγνυται. 

"Ο υπερυπολογιστής Blue Gene/P είναι ένας από τους μεγαλύτερους και γρηγορότερους υπερυπολογιστές στον κόσμο," λέει ο Fischer, ειδικός στην έρευνα για τις εκρήξεις των άστρων. "Έχει τεράστιους υπολογιστικούς πόρους που δεν είναι διαθέσιμοι σε μικρότερες πλατφόρμες αλλού."

Οι μικροί υπολογιστές περιέχουν έναν ή δύο μόνο επεξεργαστές ενώ ο Blue Gene/P έχει περισσότερους από 160.000 επεξεργαστές. Κι αν ένας υπολογιστής γραφείου θέλει για να ολοκληρώσει μια δουλειά χίλια χρόνια, ο υπερυπολογιστής Blue Gene/P μπορεί να το κάνει σε τρεις ημέρες.

Ένα στιγμιότυπο μιας τρισδιάστατης προσομοίωσης μιας σουπερνόβας τύπου Ia, λίγο μετά από την δημιουργία της πυρηνικής φυσαλίδας, που γεννήθηκε μετά την ανάφλεξη του άστρου προς σουπερνόβα τύπου Ia. Αυτό έγινε λίγο πιο έξω από το κέντρο του πυρήνα του λευκού νάνου (που παρουσιάζεται εδώ μια μπλε επιφάνεια). Οι δυνάμεις της άνωσης οδηγούν τη φυσαλίδα (που παρουσιάζεται εδώ κίτρινη και κόκκινη) γρήγορα την οδηγούν στην επιφάνεια του λευκού νάνου. Η φυσαλίδα, που αποτελείται από πυρηνική τέφρα σε θερμοκρασία εκατοντάδων εκατομμυρίων βαθμών, φθάνει με μια ταχύτητα σχεδόν 3 εκατομμύρια χιλιόμετρα την ώρα προτού εκραγεί κατά προσέγγιση ένα δευτερόλεπτο μετά την ανάφλεξη.

Οι εκρήξεις που απασχολούν την ομάδα είναι για τις σουπερνόβες τύπου Ia, στις οποίες οι θερμοκρασίες φθάνουν σε δισεκατομμύρια βαθμών. Η πλήρης κατανόηση από τους αστροφυσικούς των υπερκαινοφανών τύπου Ia είναι κρίσιμη, για να λυθεί επιτέλους το μυστήριο της σκοτεινής ενέργειας, μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις που αντιμετωπίζουν οι σημερινοί κοσμολόγοι. Η σκοτεινή ενέργεια όπως είναι γνωστό αναγκάζει το σύμπαν να επεκτείνεται με ένα ρυθμό που συνεχώς αυξάνει.

Οι κοσμολόγοι ανακάλυψαν τη σκοτεινή ενέργεια όταν χρησιμοποίησαν τις σουπερνόβες τύπου Ia ως συσκευές κοσμικών μετρήσεων. Όλες οι σουπερνόβες τύπου Ia επιδεικνύουν περίπου την ίδια φωτεινότητα. 'Ετσι οι επιστήμονες θα μπορούσαν να αξιολογήσουν την απόσταση των άστρων που εκρήγνυται αναλόγως. Εντούτοις, αυτές οι σουπερνόβες επιδεικνύουν μια μεταβλητότητα περίπου 15 τοις εκατό.

"Για να καταλάβετε πραγματικά τη σκοτεινή ενέργεια, πρέπει να μειώσετε αυτήν την μεταβολή περίπου στο 1%," λέει ο Jordan.

Η πυκνότητα των λευκών νάνων άστρων, από τα οποία εξελίσσονται οι σουπερνόβες τύπου Ia, είναι εξίσου ακραία. Όταν αστέρια στο μέγεθος του ήλιου φθάνουν στο τέλος της ζωής τους, έχουν αποβάλλει το μεγαλύτερο μέρος της μάζας τους και αφήνουν πίσω τους έναν αδρανή πυρήνα στο μέγεθος του φεγγαριού. Κατά προσέγγιση ένα κουταλάκι του γλυκού- από το υλικό του λευκού νάνου ζυγίζει χίλιους τόνους, γι αυτό και είναι από τα πιο πυκνά αντικείμενα στον Κόσμο.

Οι σουπερνόβες τύπου Ia θεωρούνται πως εμφανίζονται μόνο στα συστήματα δυαδικών άστρων, που το κάθε άστρο στρέφεται γύρω από το άλλο. Όταν ένας λευκός νάνος σε δυαδικό σύστημα τραβήξει με τη βοήθεια της βαρύτητας αρκετή ύλη από το συνοδό αστέρι του, ακολουθεί μια τεράστια έκρηξη.

Αυτό όμως πραγματοποιείται κατά τη διάρκεια εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών, δεν είναι ακαριαίο φαινόμενο. Καθώς ο λευκός νάνος γίνεται όλο και περισσότερο πυκνός με τη συμπίεση της ύλης πάνω του, πραγματοποιείται μια πυρηνική ανάφλεξη στον πυρήνα του. Αυτή η ανάφλεξη συνεχίζεται σε όλο το άστρο που οδηγεί τελικά σε μια τεράστια υπερκαινοφανή έκρηξη.

Η ομάδα Flash  όπως λέγεται διευθύνει τις προσομοιώσεις ολόκληρων των άστρων σε έναν υπερυπολογιστή στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence του Μπέρκλευ.

Στις προσομοιώσεις η ομάδα θα αναλύσει πως εμφανίζεται η καύση με τέσσερα πιθανά σενάρια, που οδηγούν στις σουπερνόβες τύπου Ia. Η καύση σε έναν λευκό νάνο μπορεί να εμφανιστεί είτε ως μια ανάφλεξη (σε όλη τη μάζα του) είτε ως μια εκπυρσοκρότηση σε ένα σημείο (σαν μια ράβδο δυναμίτη που καίγεται στην άκρη μόνο).

Στο σενάριο της ομάδας Flash, η ανάφλεξη ξεκινά μακριά από το κέντρο του πυρήνα του αστεριού. Η καύση δημιουργεί μια καυτή φυσαλίδα από λιγότερο πυκνή τέφρα,  που αναδύεται προς την επιφάνεια του άστρου λόγω της άνωσης, όπως ένα κομμάτι φελλός στο νερό. Αλλά η βαρύτητα κρατά την τέφρα κοντά στην επιφάνεια του λευκού νάνου. "Αυτή η γρήγορα κινούμενη τέφρα μένει περιορισμένη στην επιφάνεια, ρέει γύρω από το λευκό νάνο και συγκρούεται στην αντίθετη πλευρά της έκρηξης," εξηγεί ο Jordan.

Η σύγκρουση προκαλεί μια εκπυρσοκρότηση που αποτεφρώνει το αστέρι. Υπάρχουν, εντούτοις, τρία άλλα σενάρια που εξετάζουν οι επιστήμονες. "Για να καταλάβουμε πώς οι προσομοιώσεις σχετίζονται με τις πραγματικές σουπερνόβες, πρέπει να κάνουμε περισσότερες από χίλιες διαφορετικές προσομοιώσεις αυτή τη χρονιά, για να μεταβάλλουμε τις παραμέτρους μέσα στα μοντέλα, για να δούμε με πιό τρόπο οι παράμετροι επιδρούν στις σουπερνόβες," συμπληρώνει ο Jordan.