Một nhóm các nhà thiên văn học quốc tế đã tận dụng các siêu máy tính mạnh mẽ tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley ở Hoa Kỳ và Đài quan sát thiên văn quốc gia Nhật Bản. Sau nhiều năm nghiên cứu miệt mài và hơn năm triệu giờ tính toán siêu máy tính, cuối cùng họ đã tạo ra mô phỏng thủy động lực học bức xạ ba chiều có độ phân giải cao đầu tiên trên thế giới về một siêu tân tinh kỳ quái. Khám phá này sẽ được công bố trên số mới nhất của Tạp chí Vật lý thiên văn.

Mô phỏng ba chiều của siêu tân tinh kỳ lạ cho thấy cấu trúc hỗn loạn được tạo ra trong quá trình phóng vật chất trong vụ nổ. Những cấu trúc hỗn loạn này sau đó ảnh hưởng đến độ sáng và cấu trúc vụ nổ tổng thể của siêu tân tinh. Sự nhiễu loạn đóng một vai trò quan trọng trong các vụ nổ siêu tân tinh và được gây ra bởi các chuyển động chất lỏng không đều, dẫn đến động lực học phức tạp. Những cấu trúc hỗn loạn này trộn lẫn và làm biến dạng vật chất, ảnh hưởng đến sự giải phóng và truyền năng lượng, từ đó ảnh hưởng đến độ sáng và hình thức của siêu tân tinh. Thông qua mô phỏng ba chiều, các nhà khoa học hiểu sâu hơn về quá trình vật lý của các vụ nổ siêu tân tinh kỳ lạ và có thể giải thích các hiện tượng cũng như đặc điểm quan sát được của các siêu tân tinh phi thường này. Nguồn: Ke-JungChen/ASIAA

Vụ nổ siêu tân tinh là cái kết ngoạn mục nhất của các ngôi sao nặng. Chúng kết thúc vòng đời bằng cách tự hủy diệt, ngay lập tức giải phóng độ sáng tương đương hàng tỷ mặt trời, chiếu sáng toàn bộ vũ trụ. Trong vụ nổ, các nguyên tố nặng hình thành bên trong ngôi sao cũng bị đẩy ra ngoài, đặt nền móng cho sự ra đời của các ngôi sao và hành tinh mới, đồng thời đóng vai trò quan trọng trong nguồn gốc của sự sống. Vì vậy, siêu tân tinh đã trở thành một trong những chủ đề hàng đầu của vật lý thiên văn hiện đại, bao trùm nhiều vấn đề thiên văn và vật lý quan trọng về mặt lý thuyết và quan sát, đồng thời có giá trị nghiên cứu quan trọng.

Trong nửa thế kỷ qua, nghiên cứu đã cho chúng ta hiểu biết tương đối toàn diện về siêu tân tinh. Tuy nhiên, các quan sát khảo sát siêu tân tinh quy mô lớn mới nhất đang bắt đầu tiết lộ nhiều vụ nổ sao bất thường (siêu tân tinh kỳ lạ) thách thức và đảo ngược những hiểu biết đã được thiết lập trước đây về vật lý siêu tân tinh.

Bí ẩn về siêu tân tinh kỳ lạ

Trong số các siêu tân tinh kỳ lạ, siêu tân tinh siêu sáng và siêu tân tinh phát sáng vĩnh cửu là khó hiểu nhất. Siêu tân tinh siêu sáng có độ sáng gấp khoảng 100 lần so với siêu tân tinh thông thường, trong khi độ sáng của siêu tân tinh thông thường thường chỉ kéo dài từ vài tuần đến 2-3 tháng. Ngược lại, các siêu tân tinh phát sáng vĩnh cửu được phát hiện gần đây có thể duy trì độ sáng của chúng trong vài năm hoặc hơn.

Điều đáng ngạc nhiên hơn nữa là một số siêu tân tinh kỳ lạ có sự thay đổi độ sáng không đều và không liên tục, phun trào như đài phun nước. Những siêu tân tinh kỳ lạ này có thể nắm giữ chìa khóa để tìm hiểu sự tiến hóa của những ngôi sao nặng nhất trong vũ trụ.

Bức ảnh này mô tả sự phân bố vật lý cuối cùng của siêu tân tinh lạ. Bốn góc phần tư có màu sắc khác nhau tượng trưng cho các đại lượng vật lý khác nhau: I. Nhiệt độ; II. Vận tốc; III. Mật độ năng lượng bức xạ; IV. Mật độ khí. Vòng tròn nét đứt màu trắng biểu thị vị trí của quang quyển siêu tân tinh. Như bạn có thể thấy từ hình ảnh này, toàn bộ ngôi sao trở nên hỗn loạn từ trong ra ngoài. Các vị trí mà vật liệu bị đẩy ra va chạm rất khớp với vị trí của các quang quyển, cho thấy rằng bức xạ nhiệt được tạo ra trong những va chạm này, truyền ra bên ngoài một cách hiệu quả đồng thời tạo ra một lớp khí không đồng nhất. Hình ảnh này giúp chúng ta hiểu được tính chất vật lý cơ bản của siêu tân tinh lạ và đưa ra lời giải thích cho các hiện tượng quan sát được. Nguồn: Ke-JungChen/ASIAA

Nguồn gốc và cấu trúc tiến hóa

Nguồn gốc của những siêu tân tinh kỳ lạ này vẫn chưa được hiểu đầy đủ, nhưng các nhà thiên văn học tin rằng chúng có thể phát sinh từ những ngôi sao nặng bất thường. Đối với những ngôi sao có khối lượng gấp 80 đến 140 lần khối lượng mặt trời, phản ứng tổng hợp carbon xảy ra trong lõi của chúng khi chúng gần kết thúc vòng đời. Trong quá trình này, các photon năng lượng cao tạo ra các cặp electron-positron, kích hoạt các xung trong lõi gây ra một số cơn co thắt dữ dội.

Những cơn co thắt này giải phóng một lượng lớn năng lượng nhiệt hạch và gây ra các vụ nổ, dẫn đến các vụ nổ sao lớn. Bản thân các vụ nổ có thể giống với các vụ nổ siêu tân tinh thông thường. Ngoài ra, khi vật chất ở các giai đoạn nổ khác nhau va chạm vào nhau có thể xảy ra hiện tượng tương tự như siêu tân tinh siêu sáng.

Hiện tại, số lượng các ngôi sao có khối lượng lớn như vậy trong vũ trụ là tương đối hiếm, điều này phù hợp với sự khan hiếm của các siêu tân tinh kỳ lạ. Vì vậy, các nhà khoa học nghi ngờ rằng những ngôi sao có khối lượng gấp 80 đến 140 lần khối lượng mặt trời rất có thể là tổ tiên của các siêu tân tinh lạ. Tuy nhiên, cấu trúc tiến hóa không ổn định của những ngôi sao này khiến việc mô hình hóa chúng trở nên khá khó khăn và các mô hình hiện tại chủ yếu giới hạn ở mô phỏng một chiều.

Hạn chế của các mẫu trước đó

Tuy nhiên, các mẫu một chiều trước đó cũng có những sai sót nghiêm trọng. Các vụ nổ siêu tân tinh tạo ra rất nhiều nhiễu loạn và nhiễu loạn đóng vai trò quan trọng trong vụ nổ và độ sáng của siêu tân tinh. Tuy nhiên, mô hình một chiều không thể mô phỏng nhiễu loạn từ những nguyên tắc đầu tiên. Những thách thức này khiến cho sự hiểu biết sâu sắc về cơ chế vật lý đằng sau các siêu tân tinh lạ vẫn là một vấn đề lớn trong vật lý thiên văn lý thuyết hiện nay.

Bước nhảy vọt về khả năng mô phỏng

Các mô phỏng vụ nổ siêu tân tinh có độ phân giải cao đặt ra những thách thức lớn. Khi quy mô mô phỏng tăng lên, việc duy trì độ phân giải cao ngày càng trở nên khó khăn, làm tăng đáng kể độ phức tạp và yêu cầu tính toán, đồng thời đòi hỏi phải xem xét một số lượng lớn các quy trình vật lý. Chen Kezheng nhấn mạnh rằng mã mô phỏng của nhóm họ có lợi thế so với các nhóm cạnh tranh khác ở Châu Âu và Hoa Kỳ.

Các mô phỏng liên quan trước đây chủ yếu giới hạn ở mô hình chất lỏng một chiều và một số ít hai chiều, trong khi ở các siêu tân tinh lạ, hiệu ứng đa chiều và bức xạ đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng đến động lực học tổng thể của bức xạ quang học và các vụ nổ.

Sức mạnh của mô phỏng thủy động lực học bức xạ

Mô phỏng thủy động lực học bức xạ tính đến sự lan truyền của bức xạ và sự tương tác của nó với vật chất. Quá trình truyền bức xạ phức tạp này khiến cho việc tính toán trở nên vô cùng khó khăn, đồng thời yêu cầu và độ khó tính toán của nó cao hơn nhiều so với mô phỏng chất lỏng. Tuy nhiên, với kinh nghiệm sâu rộng của nhóm trong việc lập mô hình vụ nổ siêu tân tinh và chạy mô phỏng quy mô lớn, cuối cùng họ đã thành công trong việc tạo ra mô phỏng thủy động lực học bức xạ ba chiều đầu tiên trên thế giới về một siêu tân tinh kỳ quái.

Kết quả nghiên cứu và tác động

Kết quả nghiên cứu của nhóm nghiên cứu cho thấy hiện tượng nổ ngắt quãng của các ngôi sao lớn sẽ có đặc điểm tương tự như nhiều siêu tân tinh mờ hơn. Khi các vật liệu từ các giai đoạn nổ khác nhau va chạm nhau, khoảng 20%-30% động năng của khí có thể chuyển thành bức xạ, đây là nguyên nhân gây ra hiện tượng siêu tân tinh siêu sáng.

Ngoài ra, hiệu ứng làm mát bức xạ khiến khí thoát ra tạo thành cấu trúc tấm ba chiều dày đặc nhưng không đồng đều. Cấu trúc tấm này trở thành nguồn phát ánh sáng chính của siêu tân tinh. Kết quả mô phỏng của họ giải thích một cách hiệu quả các đặc điểm quan sát được của siêu tân tinh lạ nói trên.

Sử dụng mô phỏng siêu máy tính tiên tiến, nghiên cứu này đạt được tiến bộ đáng kể trong việc hiểu rõ hơn về tính chất vật lý của siêu tân tinh kỳ lạ. Với việc ra mắt Khảo sát siêu tân tinh thế hệ tiếp theo, các nhà thiên văn học sẽ phát hiện nhiều siêu tân tinh kỳ lạ hơn, giúp chúng ta hiểu sâu hơn về giai đoạn cuối của các sao nặng điển hình và cơ chế nổ của chúng.