علمی، پژوهشی و فناوری

انقلابی در اخترفیزیک: مدل سازی قوی ترین انفجارهای کیهان

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری : انفجارهای اخترفیزیکی، شامل رویدادهایی مانند مصرف ابرنواخترها و سیاهچاله ها ، با پیشرفت های نجوم مدرن به طور فزاینده ای قابل تشخیص هستند.

یک فیزیکدان از دانشگاه سیراکیوز یک مدل پیشگامانه برای شبیه سازی این رویدادهای کیهانی و انتشار نور آنها ایجاد کرده است که امکان درک عمیق تر از تکامل آنها را فراهم می کند.

انفجارهای اخترفیزیکی در چندین شکل دراماتیک رخ می‌دهند: فروپاشی هسته آهنی یک ستاره عظیم، ایجاد یک ابرنواختر با فروپاشی هسته. "اسپاگت شدن" و مصرف بقایای ستارگان توسط یک سیاهچاله عظیم، که به عنوان رویداد مختل شدن جزر و مد شناخته می شود. و همجوشی هسته ای فراری روی سطح یک کوتوله سفید ، که منجر به یک ابرنواختر نوع 1-A می شود. این انفجارها اغلب در کهکشان‌های دور اتفاق می‌افتند، و اخیراً اخترشناسان توانسته‌اند به اعماق فضا نگاه کنند تا آن‌ها را در تعداد قابل‌توجهی شناسایی کنند - با اکتشافات بسیار بیشتر.

نوآوری در مدل سازی انفجارهای کیهانی

اریک کوفلین، استادیار فیزیک در کالج هنر و علوم دانشگاه سیراکیوز، یک مدل پیشگامانه برای شبیه سازی سریع این انفجارها و ردیابی منشأ نوری که ما از آنها مشاهده می کنیم، ایجاد کرده است. یافته‌های او در مقاله‌اش با عنوان «از ساحل‌سازی تا صرفه‌جویی در انرژی: راه‌حل‌های جدید خود مشابه تا مرحله تعامل انفجارهای قوی» که در ۲۹ اکتبر در مجله Astrophysical Journal Letters منتشر شد، به تفصیل آمده است .

کوفلین می‌گوید: «با این درک جدید، ما می‌توانیم انتشار حاصل از تعامل انفجار با محیط اطرافش را مدل‌سازی کنیم و به ما این امکان را می‌دهد که تکامل آن را با زمان ردیابی کنیم.»

پیشرفت در تشخیص ابرنواختر

سال‌هاست که ستاره‌شناسان می‌دانند چه زمانی یک ستاره غول‌پیکر در اثر فروپاشی گرانشی خود مرده است. این به این دلیل است که فروپاشی آن منجر به معکوس شدن انفجار می شود زیرا یک ستاره نوترونی در مرکز آن شکل می گیرد و منجر به انفجاری می شود که فورانی بسیار شدید و درخشان ایجاد می کند - که اکنون به عنوان یک ابرنواختر فروپاشی هسته شناخته می شود. آنهایی که در کهکشان ما (یا در کهکشان های دیگر و بسیار نزدیک) رخ می دهند را می توان با چشم غیر مسلح مشاهده کرد، اما امروزه بسیاری از ابرنواخترها توسط تلسکوپ های مدرن با سرعت ده ها در شب شناسایی می شوند.

با این حال، انواع دیگر انفجارها به راحتی قابل شناسایی نیستند، زیرا آنها خیلی دور هستند یا خیلی سریع کم نور هستند. به عنوان مثال، فوران های الکترومغناطیسی که به سرعت محو می شوند، به راحتی از دست می روند مگر اینکه در زمان مناسب به مکان صحیح در آسمان نگاه کنیم. با این وجود، آنها می توانند مقدار قابل مقایسه ای از انرژی را به عنوان یک انفجار ابرنواختری استاندارد تخلیه کنند.

کوفلین می‌گوید: «این انفجارها می‌توانند هر روز میلیاردها میلیارد انرژی بمب‌های اتمی را آزاد کنند. چنین رویدادهای گذرا و پرانرژی همیشه در جهان در حال وقوع هستند.

ستاره شناسان به دنبال اکتشافاتی در مورد ابرنواخترهای فروپاشی هسته و سایر پدیده های درخشان و به سرعت در حال تکامل در فضا هستند که در مجموع به عنوان "گذرا" شناخته می شوند. مدل جدید کوفلین به این جستجو کمک خواهد کرد.

 انفجار یک ستاره پرجرم منجر به بیرون راندن پوشش آن می شود و این "پرتاب" با گذشت زمان به سمت بیرون منبسط می شود و در زمان مرگ با محیط اطراف ستاره در تعامل است. این برهمکنش دو موج شوک و یک ناپیوستگی تماس ایجاد می کند که در مجموع به عنوان "پوسته" شناخته می شود، که انرژی جنبشی را به قیمت تولید نور بیشتر تلف می کند. مدل جدید اریک کوفلین تکامل وابسته به زمان این پوسته را ردیابی می‌کند، که می‌تواند در کنار مشاهدات این رویدادهای بسیار پرانرژی برای درک فیزیک انفجارهای نجومی مورد استفاده قرار گیرد. اعتبار: اریک کوفلین/دانشگاه سیراکوز

دینامیک ابرنواختر Ejecta

یک ابرنواختر فروپاشی هسته زمانی اتفاق می‌افتد که ستاره نوترونی تازه تشکیل شده "جهش" می‌کند و انفجار ستاره‌ای را معکوس می‌کند و یک موج ضربه‌ای را در بیرونی‌ترین لایه‌های ستاره به حرکت در می‌آورد. مقادیر زیادی از بقایای ابرنواختر - یا پرتاب - به گاز اطراف ستاره در حال مرگ دمیده می شود.

پرتاب در ابتدا بسیار داغ است و مقادیر زیادی نور از خود ساطع می کند و تجزیه رادیواکتیو عناصر اتمی سنگین نیز به انتشار کمک می کند. برهمکنش بین اجکتا و گاز اطراف نیز می‌تواند این انتشار را تکمیل کند – و در برخی موارد بر آن غالب باشد، زیرا دو موج شوک اضافی تولید می‌شود که گاز اطراف را تسریع می‌کند و خروجی حرکت به بیرون را کاهش می‌دهد. این "پوسته" از مواد شوکه شده با گذشت زمان به بیرون منبسط می شود و نه تنها نور مرئی، بلکه انتشار رادیویی را نیز تولید می کند که نشان دهنده وجود گاز گرم شده با ضربه است. مدل کوفلین روش جدیدی را برای ردیابی تکامل پوسته ای که از طریق این تعامل ایجاد می شود ارائه می دهد که می تواند در کنار داده های رادیویی برای استنباط خواص انفجار مانند انرژی آن استفاده شود.

 نمایی از رصدخانه روبین در غروب خورشید در ماه می ۲۰۲۴، در Cerro Pachón در شیلی. اعتبار: Olivier Bonin/SLAC National Accelerator Laboratory

نقش رصدخانه روبین

کوفلین مدل خود را روی داده‌های بررسی میراث فضا و زمان (LSST) که توسط رصدخانه Vera C. Rubin انجام می‌شود، اعمال خواهد کرد که قرار است سال آینده در کوه‌های آند شیلی آنلاین شود. رصدخانه روبین یک مطالعه 10 ساله بر روی آسمان انجام خواهد داد که حجم عظیمی از داده های نجومی را ارائه می دهد که ستاره شناسان تجزیه و تحلیل خواهند کرد و منجر به اکتشافات جدیدی در مورد کیهان وابسته به زمان می شود.

رصدخانه روبین شامل یک تلسکوپ 8.4 متری کلاس جهانی است که به یک دوربین 3.2 گیگاپیکسلی متصل شده است که بزرگترین دوربین دیجیتالی است که تا به حال برای نجوم ساخته شده است.

این تلسکوپ هر سه تا چهار شب از کل آسمان مرئی نیمکره جنوبی تصویربرداری می کند و به آن امکان می دهد اجرام دورتر یا کم نوری را که برای مدت کوتاهی در روشنایی یا جهت تغییر می کنند، شناسایی کند.

کوفلین می‌گوید: «ما در 10 سال آینده میلیاردها کهکشان را رصد خواهیم کرد، و سپس میلیون‌ها مورد از این گذرا را که توسط پدیده‌های مختلف ایجاد می‌شوند، مشاهده خواهیم کرد.

پتانسیل تحقیقات بین رشته ای

مجموعه داده دسترسی آزاد از رصدخانه روبین بزرگتر و با جزئیات بیشتر از سایر داده های قبلی خواهد بود.

کوفلین می‌گوید: «به‌عنوان یک ستاره‌شناس نظری، من سعی می‌کنم از این داده‌ها تصویری منسجم از پدیده‌های انفجاری بیرون بیاورم». و من سعی خواهم کرد فیزیک موجود را درک کنم، تا این رویدادهای انفجاری را بازسازی کنم.

با این حال، تحقیقات بین رشته ای برای شعله ور ساختن اکتشافات اولیه مورد نیاز است.

کافلین بورسیه "Scialog" را دریافت کرده است که توسط شرکت تحقیقاتی برای پیشرفت علم پشتیبانی می شود تا پروژه های علمی اولیه را از LSST توسعه دهد. اولین جلسه Scialog در ماه نوامبر در توسان، آریزونا، برای ایجاد ارتباط بین 50 دانشمند اولیه: ستاره شناسان رصدی، کیهان شناسان، فیزیکدانان نظری و اخترفیزیکدانان، مدل سازان محاسباتی، دانشمندان داده و مهندسان نرم افزار تشکیل می شود.

شرکت‌کنندگان Scialog قصد دارند از اندازه بی‌سابقه داده‌ها با کاتالیز کردن پروژه‌های مشترک استفاده کنند.

کوفلین می‌گوید: «ما داریم مانند پتابایت (یک میلیون گیگابایت) داده صحبت می‌کنیم که باید با آن‌ها سروکار داشت و آن را غربال کرد. ما افراد رشته‌های مختلف را گرد هم می‌آوریم که به راه‌حل‌هایی برای مشکلاتی می‌اندیشند که شامل حجم عظیمی از داده‌ها یا روش‌های جدید برای استفاده از این داده‌ها برای کشف چیزی جدید است. رصدخانه روبین به ما کمک می کند تا در مورد مرگ ستارگان پرجرم که در حال وقوع هستند و مقادیر زیادی انرژی تولید می کنند، بینشی پیدا کنیم. ما در نهایت می‌توانیم یاد بگیریم که چه چیزی به برخی از این رویدادهای پرانرژی نیرو می‌دهد.»