 |
|
|
|
|
|
 |
 |
Neues aus der Welt der Wissenschaft |
|
|
|
|
|
|
Erstmals 3D-Simulation einer Supernova |
|
| | | Besonders massereiche Sterne beenden ihr Leben in einer gigantischen kosmischen Explosion. Eine solche Supernova zählt zu den bevorzugten Forschungsobjekten der Astrophysik, diese Ereignisse direkt zu studieren ist allerdings schwierig. Helfen könnte nun ein neues Modell zweier US-Astrophysiker: Ihnen ist es erstmals gelungen, eine Supernova als 3D-Simulation zu entwickeln. |
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
Die beiden Astrophysiker Michael Warren und Chris Fryer vom Los Alamos National Laboratory präsentierten ihre 3D-Supernova kürzlich bei einem Treffen der American Astronomical Society in Albuquerque, New Mexico.
|
|
|
|
|
|
Einzigartige Bedingungen |
|
| |
"Den Kollaps eines massereichen Sternes zu modellieren ist eine der größten Herausforderungen der computerunterstützten Physik", erläutert Michael Warren die Bedeutung des von ihm mitentwickelten Modells.
Alle vier fundamentalen Naturkräfte wirken laut Warren an diesem Ereingnis mit - und erschaffen ein "kosmisches Laboratorium mit Bedingungen, wie sie nirgends sonst im Universum herrschen".
Riesige Energiemengen werden durch die kosmische Explosion freigesetzt, die dabei wirkenden physikalischen Kräfte wollen die Wissenschaftler genauestens verstehen - helfen soll nun das 3D-Modell.
|
|
Supernova - Tod eines massereichen Sternes
Sterne mit einer Masse von mehr als zehn Sonnenmassen (oder auch - seltener - so genannte "Weiße Zwerge") beenden ihr Leben in einer Supernovaexplosion. Die Trümmer des explodierenden Sterns werden in den zirkumstellaren Raum geschleudert. Die ausgeworfenen Sterngase reichern das interstellare Medium mit schweren Elementen, die der Stern über Jahrmillionen "erbrütet" hat, sowie mit radioaktiven Atomkernen an, die während der ersten Sekunden der Explosion entstanden sind.
Der Eisenkern des massereichen Sterns kollabiert zu einem Neutronenstern oder in einem Schwarzen Loch. Zehntausend mal mehr Energie als im Supernovalicht wird dabei über Neutrinos freigesetzt. Dies sind Elementarteilchen, die in hoher Zahl bei den extremen Bedingungen in einem heißen Neutronenstern entstehen. |
|
|
 Mehr dazu beim Max-Planck-Institut für Astrophysik |
|
|
|
|
|
|
Supernova-Simulationen: Ein ''alter'' Forschungszweig |
|
| |
Basierend auf Computerdaten und technisch ausgefeilter Simulationssoftware markiert die Arbeit der beiden Astrophysiker den jüngsten Meilenstein in einem mehr als 35 Jahre umfassenden Forschungszweig.
Denn bereits 1966 entwarfen zwei US-Wissenschaftler, Stirling Colgate und Richard White, das eindimensionale Modell einer Supernova - das allerdings, wie sich später herausstellte, einen fatalen Fehler aufwies: Fast immer misslang die Explosion.
|
|
|
|
|
|
Fortschritt Zweidimensionalität |
|
| |
Schließlich konnte etwa 30 Jahre später zumindest dieser Makel ausgeglichen werden. Zusammen mit Colgate - und ausgestattet mit deutlich mehr Rechnerleistung - gelang es mehreren Astronomen, ein zweidimensionales Modell zu entwerfen, das tatsächlich die erwünschten Explosionen zeigte.
Zwar fehlten damals noch die feinen Details zu den physikalischen Eigenschaften des Sternes, dennoch konnten die Wissenschaftler bereits feststellen, dass insbesondere Konvektionsprozesse für die Explosion ausschlaggeben waren: Die Mischung der Materie um den eisernen Kern des kollabierenden Sternes.
|
|
|
|
|
|
2D und 3D liefern annähernd die gleichen Ergebnisse |
|
| |
Doch wer sich nun - dank der erfolgreichen 3D-Simulation - radikal abweichende Ergebnisse erwartet, wird enttäuscht. Denn laut Fryer und Warren differieren die Ergebnisse zu Explosionsenergie, zeitlicher Verlauf und Masse des übrigbleibenden Neutronensterns um lediglich zehn Prozent.
Nach Ansicht der Wissenschaftler bestätigt sich hiermit die Vermutung, dass insbesondere die erwähnten Konvektionsprozesse bei einer Supernova von immenser Wichtigkeit sind und eine entscheidende Rolle bei der Explosion des Sternes spielen.
|
|
Wie und warum explodiert ein Stern?
Der - in der Simulation sterbende - Stern beginnt sein Leben damit, Wasserstoff zu verbrennen, bis dessen Vorräte erschöpft sind. Schwerere Elemente werden verbrannt und die Temperatur im Inneren des Sterns steigt an.
Schließlich besteht der gesamte Kern des Sternes nur mehr aus Eisen - das den enormen Gravitationskräften, die auf den Stern einwirken, nicht mehr widerstehen kann: Die Eisenatome werden zusammen gequetscht, die Kerntemperatur steigt auf mehr als zehn Milliarden Grad Celsius an und die Gravitationskraft übertrifft schließlich die Abstoßungskräfte zwischen den Kernbausteinen.
Innerhalb von wenigen Zehnteln einer Sekunde kollabiert der Kern von seiner ursprünglichen Größe (etwa der halbe Durchmesser der Erde) auf 100 Kilometer Durchmesser. Der Kern erhitzt die ihn umgebende Materie durch die von ihm ausstrahlenden Neutrinos. Je näher die Gase dem Kern kommen, desto stärker sind sie dem Neutrinofluss ausgesetzt - und desto stärker heizen sie sich auf.
Das solchermaßen erhitzte Gas steigt in großen Blasen wieder auf, wobei es Energie vom Kern zur Hülle trägt. Es wird durch kalte Gasmassen ersetzt, die zum Kern absinken und dort ebenfalls erhitzt werden. Dieser Hitzeaustausch zwischen Kern und Hülle resutliert schließlich in einer gewaltigen Explosion - der Supernova. |
|
|
|
|
|
|
Vom Anfang bis zum Ende ...
|
|
| |
Die Bilder zeigen drei Stadien einer simulierten Supernova-Explosion, die sich innerhalb von nur 50 Millisekunden ereignen: Die Oberflächen zeigen das Material, welches mit einer Geschwindigkeit von 1.000 Kilometern pro Sekunde ins All geschleudert wird. Ganz links zu sehen ist die anfängliche "Explosion", in der Mitte zeigen sich erste Gasblasen, die durch die Nähe zum Kern und daraus resultierende Erwärmung entstehen. Rechts sieht man das letzte Stadium: Der Hitzeaustausch resultiert in einer gewaltigen Explosion.
|
|
|
|
|
|
Experte: ''Letztes Schlachtfeld erreicht'' |
|
| |
Stirling Colgate, der als "Senior Fellow" in Los Alamos die Fortschritte seiner Kollegen hautnah mitverfolgte, sieht damit den Schritt zum "letzten Schlachtfeld" getan - man sei nun bereit für die "exotischeren Probleme" wie etwa Rotation und nicht-symmetrisches Wachstum.
So sind denn auch - parallel zu Michael Warren und Chris Fryer - mehrere verschiedene Forscherteams damit beschäftigt, die zahlreichen "letzten" Geheimnisse um Supernovae-Explosionen zu lüften.
|
|
|
|
|
|
Supernova in unmittelbarer Nachbarschaft der Erde? |
|
| |
Das tut auch Not, denn wenn man Astrophysikern Glauben schenkt, könnte in einigen Millionen Jahren eine Supernova in unmittelbarer "Nachbarschaft" der Erde stattfinden - und den Berechnungen zufolge ein Massensterben auf unserem Planeten auslösen.
|
|
|
01.01.2010 |
