Взрывное сжатие смоделирует сверхновую в лаборатории

Российские ученые из ИТЭФ совместно с коллегами из других институтов предложили новую концепцию лабораторных исследований сверхновых звезд. Она основана на изучении взрывного сжатия, при котором наблюдаются характерные для астрофизического процесса явления. Результаты приняты к публикации в журнале Physical Review E, препринт доступен на сервере arXiv.org.

Сверхновая звезда, или вспышка сверхновой — процесс мощного взрыва массивной звезды после исчерпания термоядерного топлива в ее недрах. При этом освобождается огромная энергия, а светимость возрастает в миллиарды раз, что позволяет одному объекту сиять сравнимо с целой галактикой. В результате внешние слои звезды выбрасываются в космос, образуя туманность. При достаточно большой массе ядро звезды сжимается настолько, что на его месте остается компактный объект — нейтронная звезда либо черная дыра. В таком случае говорят о сверхновой с коллапсом ядра, для возникновения которой требуется изначальная масса звезды как минимум в 8 раз больше солнечной.

Отправной точкой нового исследования послужили экспериментальные работы по взрывному сжатию дейтериевой плазмы, проводимые группой из Российского федерального ядерного центра Всероссийского НИИ экспериментальной физики в Сарове. В этих экспериментах макроскопические объемы вещества (доли килограмма) сжимаются более чем в 600 раз по плотности системой сходящихся сферических ударных волн, генерируемых окружающими мишень взрывчатыми веществами. Сложная система регистрации позволяет детально проследить все стадии процесса. Сжатие прекращается, когда из-за сильно выросшей плотности вещество попадает в область вырождения. Вырожденная неидеальная плазма значительно сильнее сопротивляется сжатию и в момент ее появления в центре мишени сжатие останавливается, а вещество начинает разлетаться. У рассматриваемого типа экспериментов существуют аналоги-конкуренты: лазерное сжатие и сжатие в Z-пинчах. Однако в них количество вещества мишени измеряется микрограммами, а характерное время — наносекундами против микросекунд при взрывном сжатии. Таким образом, именно эксперименты рассматриваемого типа позволяют детально исследовать все аспекты происходящих при сжатии процессов, в том числе проследить за развитием гидродинамических неустойчивостей, возникающих в системе распространяющихся в мишени ударных волн.

Авторы данной работы обратили внимание на схожесть полученной во взрывных экспериментах динамики с теориями о сверхновых с коллапсирующим ядром. Такие звезды умирают со взрывом, выбрасывая свое вещество наружу со скоростями порядка десятков тысяч километров в секунду. Так происходит, потому что к концу жизненного цикла в их недрах образуется инертное железное ядро с массой порядка массы Солнца. Это ядро теряет устойчивость и обрушивается внутрь под действием собственного тяготения — испытывает катастрофическое сжатие, называемое гравитационным коллапсом. Вещество ядра при этом движется практически в режиме свободного падения, разгоняясь до скоростей порядка 10% от скорости света.

В тот момент, когда плотность внутри коллапсирующего ядра достигает характерных для атомных ядер величин, вещество становится практически несжимаемым из-за отталкивающих ядерных сил, действующих между нуклонами. Коллапс в центре резко останавливается, происходит отскок и возникает двигающаяся наружу ударная волна, распространяющаяся сквозь продолжающее падать окружающее вещество. Эта ударная волна, ускоряясь при прохождении по оболочке звезды, и приводит, в конечном счете, к ее сбросу, то есть к наблюдаемым проявлениям сверхновой. Несмотря на понимание общих закономерностей процесса, проводимые астрофизиками в течение десятилетий детальные расчеты показали, что получить взрыв с наблюдаемыми параметрами крайне сложно. Смоделированные на компьютере сверхновые «отказываются» взрываться или взрыв получается очень слабый, с энергией в несколько раз меньше наблюдаемой. По-видимому, в симуляциях упускаются какие-то важные явления.

Подробное численное исследование, проведенное астрофизиками из ИТЭФ, подтвердило общую идею о схожести высокоэнергичных процессов при взрыве сверхновой со взрывными экспериментами в лабораториях на Земле. Авторы отмечают, что эти процессы во многом аналогичны: и там, и там вещество ускоряется к центру конфигурации, сильно сжимаясь, испытывает внезапную остановку в центре и «отскакивает» назад, рождая ударные волны. Несмотря на колоссальную разницу в плотностях, температурах и многих других параметрах, эти два процесса концептуально близки. Сегодня не существует способов непосредственного изучения протекающих внутри сверхновой процессов, в то время как параметры взрываемой мишени доступны для детального исследования. Все это дает надежду, что данный метод позволит косвенно постигать взрывы в далеком космосе в земных лабораториях, используя предложенную аналогию, опирающуюся на единую физическую природу процессов.