Thermonukleare Flammen in Typ Ia Supernovaexplosionen - Mikroskopische Betrachtung

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Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astrophysik untersuchen die Struktur von thermonuklearen Flammen, die Typ Ia Supernovaexplosionen hervorrufen. In diesem Zusammenhang wird die Flammenausbreitung auf Skalen von wenigen Metern simuliert - "mikroskopisch" im Vergleich mit den Abmessungen eines Sterns.

Wie in einem vorherigen Bericht erläutert wurde, ist es speziell die Bedeutung von Typ Ia Supernovae für die Kosmologie, die Astrophysiker motiviert, diese Explosionen zu simulieren. Das ist jedoch eine sehr anspruchsvolle Aufgabe, weil ein weiter Bereich von Längenskalen, von der Flammendicke von weniger als einem Millimeter bis zu der Skala des Sterns von etwa 1000 km, abgedeckt werden muß. Eine vollaufgelöste Simulation dieser Ereignisse wird in überschaubarer Zukunft nicht möglich sein. Deshalb müssen Annahmen über die Struktur der Flamme auf kleinen Skalen gemacht werden. Derartige Simulationen wurden erfolgreich von Mitgliedern der Hydrodynamik-Gruppe am MPA durchgeführt. Die dabei verwendeten Modelle der Flammenstruktur sind selbstverständlich nur in einem bestimmten Parameterbereich gültig. Gegenwärtig unternommene Studien haben die genaue Untersuchung der Flammensrtuktur insbesondere bei kleinen Dichten, wie sie in den späten Stadien der Supernovaexplosion erreicht werden, zum Gegenstand.

Aus der Theorie der Verbrennungen ist bekannt, daß Flammen verschiedenen Instabilitäten ausgesetzt sind. Diese Effekte rufen Turbulenz hervor und vergrößern damit die Brengeschwindigkeit der Flamme, was für die energiereichen Supernovaexplosionen vonnöten ist. Während einige der Instabilitäten in den bisherigen Simulationen berüchsichtigt wurden, wurde die sogenannte Hydrodynamische Instabilität (nach ihren Entdeckern auch "Landau-Darrieus-Instabilität" gennannt) bisher ignoriert. Diese Instabilität, die ein Anwachsen von kleinen Störungen der Flammeform verursacht, ist durch den Unterschied zwischen den Dichten des Brennstoffs und der Brennprodukte bedingt. Der Grund, warum sie im Kontext von Supernovaexplosionen bisher für unwichtig erachtet wurde, liegt in der Existenz eines ihr entgegen wirkenden Mechanismus, der die Flamme in einer zellulären Form stabilisiert. Dieser Effekt ist in Abb. 1 dargestellt: Verfolgt man die Flammenausbreitung nach dem Huygens'schen Prinzip, so beobachtet man das Entstehen eines Scheitelpunktes bei A. Hier übersteigt die Ausbreitungsgeschwindigkeit die Brenngeschwindigkeit der restlichen Flammenfront, wie aus einer einfachen Vektoraddition folgt.

Figure 1: Stabilisierung der Flamme in einer zellulären Struktur. (nach Zel'dovich et al., 1985)

Es ist jedoch bisher ungeklärt, ob die entstehende zelluläre Struktur unter allen Bedingungen stabil ist. Ein Aufbrechen der Stabilisierung könnte wichtige Auswirkungen auf großskalige Simulationen haben.

Film 1 zeigt eine Simulation der Flammenentwicklung bei relativ geringer Brennstoffdichte. Anfänglich sieht man die Störung der Flammenform anwachsen. Dann bildet sich ein Scheitelpunkt heraus und die Flamme nimmt eine zellförmige Struktur an. In der weiteren Entwicklung beobachtet man das Aufbrechen der Stabilisierung. Die genauen Umstände dieses Phänomens werden zur Zeit intensiv untersucht.

Film 1: Simulation der Entwicklung einer thermonuklearen Flamme in einer Supernovaexplosion bei einer Diche von 107 g/cm3. Klicken Sie auf das obige Bild, um den MPEG-Film herunterzuladen. Vorsicht: Die Datei ist mehr als 12 MB groß.

• Roepke, F.K., Niemeyer J.C., Hillebrandt, W., Investigating the Flame Microstructure in Type Ia Supernovae, preprint astro-ph/0204036