Hoewel intense magnetische velden lange tijd als de oorzaak van de krachtigste supernovae werden beschouwd, hebben astrofysici een computermodel van het magnetisch veld gecreëerd, waarmee ze laten zien wat er in een stervende ster gebeurt voordat het in een ruimtemonster verandert.
Wanneer massieve sterren sterven, exploderen ze. Maar soms exploderen zulke sterren heel sterk en produceren ze een van de krachtigste explosies in het waarneembare universum.
Wanneer een massieve ster zijn voorraad waterstof-brandstof opgebruikt, veroorzaakt een sterke zwaartekracht in de kern een geleidelijke versmelting van zijn meer massieve elementen. Op een kosmische schaal is dit proces snel. Maar zodra de fusie met ijzer plaatsvindt, stopt het proces abrupt. De thermonucleaire reactie in de kern stopt en de zwaartekracht tracht het volledig te vernietigen.
Binnen slechts één seconde wordt de kern van de ster scherp samengeperst en neemt deze af in diameter van 1.000 tot 10 mijl, wat leidt tot de opkomst van werkelijk gigantische schokgolven, die als gevolg daarvan de ster uit elkaar scheuren. Kortom, het volgende gebeurt: de ster put zijn brandstof, compressie, schokgolven, massieve explosie uit. Het enige wat overblijft is een snel groeiende wolk van heet gas en een kleine neutronenster die snel ronddraait op de plaats waar de kern was.
Dit model is begrijpelijk en zeer geschikt om uit te leggen hoe massieve sterren afsterven. Maar soms zien astronomen in de verste uithoeken van het universum explosies van sterren waarvan de kracht veel groter is dan wat door traditionele supernova-modellen kan worden verklaard. Dergelijke explosies worden gamma-bursts genoemd en men gelooft dat hun uiterlijk wordt veroorzaakt door een speciaal ras van supernova, de Hypernova. Naast het feit dat Hypernova is vernoemd naar een schurk uit een film gebaseerd op Marvel-strips, is het ook de belichaming van magnetische intensiteit. Het instorten van de kern van een massieve ster leidt niet alleen tot een snelle toename van de dichtheid. De ster blijft draaien en, net als een kunstschaatser, die tijdens het draaien haar handen naar zichzelf drukt, begint de ineenstortende kern van de ineenstortende ster snel te "ontspannen". Samen met de rotatie worden de turbulente stromingen in de emissies van oververhit plasma en het magnetische veld van de ster extreem geconcentreerd.
Hypernova-ster, vormt 2 gamma-stralen (naar de mening van de kunstenaar)
Tot nu toe werden de effecten veroorzaakt door de ineenstorting van de supernova-kern voldoende bestudeerd - in theorie, maar bevestigd door observaties van supernovae. Maar het mechanisme van hypernovae (en gamma-bursts) is tot nu toe nog niet volledig bestudeerd.
Met behulp van simulaties op een van de krachtigste supercomputers ter wereld, creëerde een internationaal team van onderzoekers een hypernova-kernmodel tijdens een ineenstorting, een fractie van een seconde na de explosie. En wat ze hebben ontdekt, kan helpen het mysterie van gammastraaluitbarstingen te ontrafelen.
Er wordt aangenomen dat de hoge energie van gammastraaluitbarstingen wordt veroorzaakt door iets dat voorkomt in de kern van een massieve ster tijdens zijn instorting en transformatie in een supernova. Iets dat materie en energie in tegengestelde richtingen uitstoot, en twee hoog geconcentreerde (of gecollimeerde) stralen vormt die loskomen van de magnetische polen van een supernova. Deze stralen zijn zo intens dat als een van hen naar de aarde wordt geleid, de straling die daaruit voortkomt de indruk wekt dat deze wordt veroorzaakt door een veel sterkere explosie dan de explosie van een gewone supernova. "We hebben geprobeerd om het basismechanisme, het belangrijkste hulpmiddel, te vinden en uit te zoeken waarom de ineenstorting van een ster kan leiden tot de vorming van dergelijke stralen", zei Eric Schnetter van het Instituut voor Theoretische Fysica in Waterloo, Ontario, die een model ontwikkelde voor het maken van een simulator van de stervende sterren.
Om te begrijpen waarom deze stralen zo krachtig zijn, stel je een dynamietstok voor die op de grond werd gelegd en een kanonskogel bovenop werd geplaatst. Wanneer het dynamiet explodeert, zal er een luide knal zijn en misschien zal er een kleine rooktrechter overblijven. Maar het is onwaarschijnlijk dat de kanonskogel ver zal vliegen. Hoogstwaarschijnlijk springt het een beetje op en glijdt het in de trechter. Maar als je hetzelfde dynamiet in een metalen buis steekt, een uiteinde sluit en een kanonskogel in de open lucht rolt, dan zal tijdens de explosie alle energie geconcentreerd zijn aan het open uiteinde van de pijp en zal de kern honderden meters wegvliegen.
Analoog aan dynamiet is het grootste deel van de energie van de hypernova geconcentreerd in twee stralen die zich in de magnetische "buizen" bevinden. Daarom, wanneer we een jet op ons gericht zien, lijkt hij vele malen helderder (en krachtiger) dan de helderheid van zijn componenten zou zijn als een supernova van zijn energie in alle richtingen wordt uitgezonden. Dit is een gammastraal burst.
Het proces van de vorming van dergelijke stralen was echter bijna onbegrijpelijk. Maar het modelleren van de Blue Waters-supercomputer in het National Center for Supercomputer Applications aan de University of Illinois in Urbana-Champaign, die 2 weken duurde, onthulde een extreem sterke dynamo die in beweging was door turbulentie, wat waarschijnlijk de oorzaak is van dit alles. "Met behulp van een dynamo vallen kleine magnetische structuren in een massieve ster en veranderen in steeds grotere magnetische structuren die nodig zijn voor de vorming van hypernova en lange gammastraaluitbarstingen," zei PhD Phillip Mosta van de University of California in Berkeley, de eerste auteur van een studie gepubliceerd in het tijdschrift Nature. "Dit start het hele proces."
"Lange tijd werd aangenomen dat dit mogelijk is. En nu hebben we het ook getoond. "
Door tijdens de ineenstorting de kleinschalige structuur van de kern van een stervende ster te reconstrueren, lieten de onderzoekers voor de eerste keer zien dat een mechanisme genaamd "magnetische rotatie-instabiliteit" sterke magnetische omstandigheden in de hypernova-kern kan veroorzaken, die bijdragen aan de vorming van krachtige stralen.
Van verschillende lagen van een ster is bekend dat ze met verschillende snelheden roteren. Zelfs onze zon heeft verschillende rotaties. Wanneer de kern van een massieve ster instort, veroorzaakt differentiële rotatie sterke instabiliteit, waardoor turbulentie ontstaat die magnetische velden verandert in buizen met een krachtige magnetische flux. Zo'n snelle uitlijning langs één lijn versnelt het sterplasma, wat op zijn beurt de rotatie van het magnetisch veld verhoogt met quadriljoenen (dit is 1 met 15 nullen). Deze vicieuze cirkel leidt tot de snelle afgifte van materiaal uit de magnetische polen en activeert het mechanisme van hypernova en gammastraaluitbarsting.
Volgens Most is deze situatie vergelijkbaar met hoe krachtig orkanen zich in de atmosfeer van de aarde vormen. Kleine turbulente stromingen komen samen in één grote cycloon. Daarom kan de hypernova worden beschouwd als een "ideale storm", waarbij een kleine turbulentie in de ineenstortende kern krachtige magnetische velden creëert, die op hun beurt, onder geschikte omstandigheden, de vorming van intense stralen materie veroorzaken. "We hebben de eerste grootschalige simulatie van dit proces in zeer hoge resolutie gemaakt, wat de vorming van een groot mondiaal veld uit een uitzonderlijk turbulente fase aantoont", zei Most. "De simulatie toont ook het mechanisme van de vorming van magnetars en neutronensterren met een zeer sterk magnetisch veld, waardoor een speciale klasse van zeer heldere supernova kan verschijnen."
Hoewel het op zich interessant is om de krachtigste explosies in het universum te bestuderen, kan deze studie ook helpen begrijpen hoe sommige van de zwaarste elementen van ons universum werden gevormd.
