Модели земной детонации проливают свет на то, как взрываются сверхновые типа Ia

Первая стадия сверхновой Ia, увеличенная справа для демонстрации структуры ячейки. Автор: Iwata/KyotoU

Взрывы в небе и взрывы на земле — это буквально разные миры. Сверхновая и взрыв наземной мины, похоже, не имеют много общего. Но на тонком уровне их механизмы не так уж и различаются: так называемая ячеистая структура проявляется в мельчайшем масштабе, что обеспечивает важнейший критерий в прогнозировании успеха или неудачи наземной детонации при взрыве наземной мины.

Земные и астрофизические детонации в основном диктуются теми же теориями для их усредненных по времени характеристик. Однако земные теории, основанные на ячейках, такие как те, которые объясняют взрыв наземной мины, пока не применялись в качестве критериев для астрофизической детонации.

Воодушевленная потенциалом этой теоретической аналогии, междисциплинарная исследовательская группа инженеров и астрофизиков из Киотского университета недавно объединилась, чтобы лучше понять, как взрываются сверхновые типа Ia.

Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Сверхновая типа Ia возникает в двойной системе, в которой одна из звезд является белым карликом. Основной механизм, стоящий за этим, — детонация, тип сверхзвукового горения, который происходит либо когда белый карлик достигает критической массы путем аккреции массы, либо когда аккрецированный материал сильно нагревается, заставляя его разлетаться на части в течение нескольких секунд.

Ученые в целом сходятся во мнении, что причиной возникновения этих сверхновых является термоядерный процесс в белом карлике, однако дискуссии о точной причине детонации продолжаются.

«Неясно, как запускается детонация — ключевой процесс в этих сверхновых», — говорит научный сотрудник Кейити Маэда.

Детонация была первоначально обнаружена в земных взрывах, и обширные теоретические исследования, основанные на лабораторных экспериментах по горению, установили критерии ее инициирования и гашения. Эти критерии, широко используемые для проектирования детонационных двигателей и предотвращения взрывов, в основном сосредоточены на ячеистой структуре.

В этом исследовании ученые смоделировали структуру ячейки в контексте модели двойной детонации, в которой первое событие происходит в богатой гелием оболочке белого карлика, а затем вызывает вторичную детонацию в ядре, которая в конечном итоге разрушает звезду.

Затем они наблюдали за ячеистой структурой при первичной детонации и получали ширину ячейки для каждой симуляции, которую затем включили в земные теории, основанные на ячейках.

Результаты оказались успешными в подтверждении аналогии между земным и астрофизическим. Сравнивая свои результаты с предыдущими полнозвездными симуляциями, команда заметила, что пороги инициирования и гашения первичной детонации были воспроизведены в соответствии.

«Особенно интересно, что эксперименты по наземной детонации могут способствовать пониманию детонаций в звездных средах», — говорит научный сотрудник Казуя Ивата.

Помимо понимания механизмов, лежащих в основе сверхновых типа Ia, исследование также может помочь объяснить расширение Вселенной. Из-за своей постоянной светимости сверхновые типа Ia часто используются в качестве космологических стандартных свечей для измерения расстояний в космосе.

«Мы продолжим изучать неразрешенные сценарии этих сверхновых, объединяя точки зрения наземной и астрофизической детонации», — продолжает Ивата, который с энтузиазмом отмечает, что в качестве дополнительного бонуса этот совместный проект также продемонстрировал важность междисциплинарного взаимодействия между наукой и техникой.

Больше информации: Kazuya Iwata et al, Viewing Explosion Models of Type Ia Supernovae through Insights from Terrestrial Cellular Detonation, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.121201. On arXiv: arxiv.org/html/2408.10721v2

Источник: Kyoto University