Observationer av en sällsynt ras av superluminösa supernovor - stjärnexplosioner som lyser 10 till 100 gånger ljusare än normalt - är förvirrande astronomer. Upptäcktes först under det senaste decenniet, forskare är förvirrade över den extraordinära ljusstyrkan i dessa händelser och deras explosionsmekanismer.

För att bättre förstå de fysiska förhållandena som skapar superluminous supernova, astrofysiker kör tvådimensionella (2D) simuleringar av dessa händelser med hjälp av superdatorer vid Department of Energys National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) och Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) utvecklade CASTRO-kod.

"Detta är första gången som någon har simulerat superluminous supernovor i 2D; tidigare studier har bara modellerat dessa händelser i 1D, säger Ken Chen, en astrofysiker vid National Astronomical Observatory of Japan. "Genom att modellera stjärnan i 2D kan vi fånga detaljerad information om vätskeinstabilitet och blandning som du inte får i 1D-simuleringar. Dessa detaljer är viktiga för att korrekt avbilda mekanismerna som gör att händelsen blir superluminous och förklara deras motsvarande observationssignaturer som t.ex. som ljuskurvor och spektra."

Chen är huvudförfattare till en Astrofysisk tidskrift uppsats publicerad i december 2016. Han noterar att en av de ledande teorierna inom astronomi hävdar att superluminous supernovor drivs av starkt magnetiserade neutronstjärnor, kallas magnetarer.

Hur en stjärna lever och dör beror på dess massa – ju mer massiv stjärna är, desto mer gravitation utövar den. Alla stjärnor börjar sitt liv genom att smälta väte till helium; energin som frigörs genom denna process stöder stjärnan mot dess tyngdkross. Om en stjärna är särskilt massiv kommer den att fortsätta smälta helium till tyngre grundämnen som syre och kol, och så vidare, tills dess kärna förvandlas till nickel och järn. Vid denna tidpunkt släpper fusion inte längre ut energi och elektrondegenerationstrycket startar och stöder stjärnan mot gravitationskollaps. När stjärnans kärna överstiger dess Chandrasekhar-massa – ungefär 1,5 solmassor – stöder inte längre elektrondegeneration stjärnan. Vid denna tidpunkt, kärnan kollapsar, producerar neutriner som spränger stjärnan och skapar en supernova.

Denna järnkärnakollaps sker med så extrem kraft att den bryter isär nickel- och järnatomer, lämnar efter sig en kaotisk gryta av laddade partiklar. I denna frenetiska miljö skjuts negativt laddade elektroner in i positivt laddade protoner för att skapa neutrala neutroner. Eftersom neutroner nu utgör huvuddelen av denna kärna, det kallas neutronstjärna. En magnetar är i huvudsak en typ av neutronstjärna med ett extremt kraftfullt magnetfält.

Förutom att vara vansinnigt tät – en mängd material i storleken av en sockerbit från en neutronstjärna skulle väga mer än 1 miljard ton – snurrar den också upp till några hundra gånger per sekund. Kombinationen av denna snabba rotation, densitet och komplicerad fysik i kärnan skapar några extrema magnetfält.

Magnetfältet kan ta ut rotationsenergin från en neutronstjärna och omvandla denna energi till energisk strålning. Vissa forskare tror att denna strålning kan driva en superluminös supernova. Det är just dessa förhållanden som Chen och hans kollegor försöker förstå med sina simuleringar.

"Genom att göra en mer realistisk 2D-simulering av superluminous supernovor som drivs av magnetarer, vi hoppas få en mer kvantitativ förståelse för dess egenskaper, " säger Chen. "Än så länge, astronomer har upptäckt mindre än 10 av dessa händelser; när vi hittar mer kommer vi att kunna se om de har konsekventa egenskaper. Om de gör det och vi förstår varför, vi kommer att kunna använda dem som standardljus för att mäta avstånd i universum."

Han noterar också att eftersom stjärnor denna massiva lätt kan bildas i det tidiga kosmos, de kan ge lite insikter om förhållandena i det avlägsna universum.

"För att göra flerdimensionella simuleringar av superluminösa supernovor behöver du superdatorer (en stor mängd datorkraft) och rätt kod (inklusive relevant mikrofysik). Den föreslår en numerisk utmaning för sådana simuleringar, så denna händelse har aldrig modellerats i 2D tidigare, " säger Chen. "Vi var de första som gjorde det eftersom vi hade turen att ha tillgång till NERSC-resurser och CASTRO-koden."