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  Aktuelle Forschung :: Oktober 2004 Zur Übersicht

Dreidimensionale Simulationen von Typ Ia Supernovaexplosionen

Abb. 1: Beginn der Simulation

Abb. 2: 0.3 Sekunden

Abb. 3: 0.6 Sekunden

Abb. 4: 2 Sekunden

In dreidimensionalen Simulationsrechnungen untersuchen Forscher des Max-Planck-Instituts für Astrophysik thermonukleare Supernovaexplosionen.

Typ Ia Supernovae (SNe Ia) spielen eine herausragende Rolle in verschiedenen Gebieten der Astrophysik. Sie sind eine der Hauptquellen der Anreicherung des interstellaren Mediums mit schweren Elementen (besonders Eisengruppenelementen), und beeinflussen dadurch die Entwicklung von Sternen und Galaxien. Ihre ausserordentliche Helligkeit ist vergleichbar mit der einer ganzen Galaxie aus Milliarden von Sternen. Zusätzlich weisen sie eine starke Uniformität ihrer Eigenschaften auf. Daher eignen sie sich für eine geometrische Vermessung des Universums, wobei sie als "Leuchttürme" weit entfernt von unserer Galaxie dienen. Um hierbei eine ausreichende Genauigkeit zu erreichen, ist eine Kalibrierung der Helligkeit der SNe Ia anhand von Korrelationen ihrer Eigenschaften notwendig. Diese Korrelationen konnten bisher jedoch noch nicht theoretisch erklärt werden (siehe linkPfeil.gifAktuelle Forschung Juni 2000 und linkPfeil.gifDezember 2002).

All dies liefert die Motivation, den Mechanismus von SN Ia Explosionen besser verstehen zu wollen. Ein Ansatz hierfür ist, aus allgemeinen Eigenschaften ein astrophysikalisches Modell zu konstruieren und dieses in einer Computersimulation umzusetzen. über erste Erfolge dieser Methode am Max-Planck-Institut für Astrophysik wurde bereits berichtet (linkPfeil.gifAktuelle Forschung Juni 2000). Fortschritte in den numerischen Verfahren und gestiegene Computerleistung (die numerischen Modelle sind sehr aufwendig und können nur auf massiv-parallelen Computern ausgeführt werden) ermöglichen genauere Untersuchungen des SN Ia Modells. Die Anfangsparameter der Modelle, die für die oben erwähnte Kalibrierung eine wesentliche Rolle spielen, konnten in den ersten systematischen Studien mit dreidimensionalen Simulationen am Max-Planck-Institut für Astrophysik untersucht werden. Hier ebenfalls vor kurzem durchgeführte Simulationen umfassen den gesamten Stern (im Gegensatz zu nur einem Oktanten in älteren Simulationen). Somit werden auch Asymmetrieeffekte berücksichtigt. Ein solches Modell soll hier vorgestellt werden.

Das in der Astrophysik favorisierte Modell erklärt Typ Ia Supernovae als thermonukleare Explosionen von Weißen Zwergsternen, die aus Kohlenstoff und Sauerstoff bestehen. Allein ist ein Weißer Zwergstern ein sehr inertes Objekt. Im SN Ia Modell jedoch nimmt er Masse von einem Begleitstern auf, bis Dichte und Temperatur in seinem Zentrum ausreichend hoch sind, daß die Fusion von Kohlenstoff und Sauerstoff zu schwereren Elementen zündet. Es bildet sich eine Flamme heraus, das heißt, die Reaktion läuft in einem sehr kleinen Raumgebiet ab - wahrscheinlich an der Oberfläche von Blasen aus verbranntem Material. Eine solche Anfangsflamme im Weißen Zwergstern ist in Bild 1 dargestellt.

Durch Wärmeleitung brennt diese Flamme vom Zentrum des Weißen Zwergsterns nach außen. Dies erfolgt mit Geschwindigkeiten kleiner als die lokale Schallgeschwindigkeit, und man bezeichnet diese Art der Flammenpropagation als Deflagration. Einige SN Ia Modelle nehmen an, dass die Flammenausbreitung ab einem gewissen Zeitpunkt durch Schockwellen übertragen wird und sich als Detonationswelle mit Schallgeschwindigkeit ausbreitet. Ein physikalischer Mechanismus für einen solchen übergang ist bisher jedoch nicht bekannt. Das hier vorgestellte Modell basiert auf einer reinen Deflagration.

Brennt nun eine Deflagrationsflamme vom Zentrum des Weißen Zwergsterns nach außen, so läßt sie heißes und leichtes verbranntes Material zurück. Vor ihr befindet sich jedoch kalter und dichter Brennstoff. Die resultierende Dichteschichtung ist dem Gravitationsfeld des Weißen Zwergsterns entgegengerichtet und deshalb instabil. Es bilden sich Blasen von brennendem Material, die in den Brennstoff aufsteigen (siehe Bild 2). An ihren Grenzflächen bilden sich Scherströmungen. Diese Effekte führen zu einer starken Verwirbelung. Die daraus resultierenden turbulenten Bewegungen deformieren die Flamme und vergrößern dadurch ihre Oberfläche. Somit steigt der Brennstoffumsatz der Flamme stark an, und es kommt zu einer energiereichen Explosion (vgl. Abb. 3).

In Bild 4 ist die Situation zu einem Zeitpunkt dargestellt, bei dem das Brennen bereits abgeschlossen ist. Große Teile des Sterns sind in der Explosion verbrannt und stark expandiert. Die Konfiguration hat ihre symmetrische Anfangsform weitgehend verloren. Zum Größenvergleich ist der Weiße Zwergstern im Stadium von Abb. 1 noch einmal in der linken unteren Ecke von Bild 4 dargestellt.

Die Entwicklung und Ausbreitung der Flammenfront wird durch den Film veranschaulicht. Hierbei ist ein Maß für die Propagationsgeschwindigkeit der Flamme farbcodiert wiedergegeben.

Das hier vorgestellte SN Ia Modell ist die erste Simulation, die den ganzen Stern einschließt und zu einer Explosionsstärke und Erzeugung von Brennprodukten führt, die den beobachteten Werten sehr nahe kommen. Details solcher numerischen Modelle sollen in nachfolgenden Untersuchungen genauer analysiert werden und eine Bewertung der Modelle anhand synthetischer Lichtkurven und Spektren, die dann direkt mit Beobachtungen verglichen werden können, sind geplant.


Friedrich Röpke und Wolfgang Hillebrandt

Literatur:

F. K. Röpke und W. Hillebrandt (2004), eingereicht zu Astron. Astrophys. (preprint: astro-ph/0409286)

W. Hillebrandt und F. K. Röpke (2004), Sterne und Weltraum, in Vorbereitung



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Letzte Änderung: 1.10.2004