Фізики уподібнили спалахи наднових горіння газу

Вчені побудували теорію переходу від горіння до детонації в процесі вибуху, а також провели підтверджуючі ідею експерименти. Ключову роль у новій концепції відіграє турбулентність, яка бере участь в ініціації горіння в надзвуковій ударній хвилі. Результати застосовні для широкого класу процесів, причому як на Землі, так і в космосі, і можуть прояснити навіть деталі спалахів наднових, пишуть автори в журналі.

З точки зору фізики процеси, які називають вибухами, можуть значно відрізнятися в деталях. Одна з ключових відмінностей пов'язана зі швидкістю поширення фронту реакції по системі. Якщо ця межа фазового переходу переміщується повільніше швидкості звуку в середовищі, то відбувається горіння в режимі дефлаграції. Цей механізм відповідальний, наприклад, за швидке згоряння суміші парів бензину з повітрям або феєрверків.

Принципово іншим режимом є детонація, при якій фронт перетворень рухається з надзвуковою швидкістю. На відміну від дефлаграції, при якій передача енергії здійснюється переважно за рахунок процесів перенесення, тобто конвекції, дифузії та орігекції, детонація підтримується за рахунок енерговиділення внаслідок стиснення речовини самою вибуховою хвилею, оскільки її проходження створює відповідні умови та ініціює реакцію.

Спалахи наднових типу Ia - це найбільш вивчуваний астрономічний вибух. Більшість астрофізиків вважають, що вони виникають при акреції речовини на білий карлик або при злитті двох білих карликів. У будь-якому сценарії маса об'єкта повинна перевищити межу Чандрасекара, що запускає швидке термоядерне горіння вуглецю і кисню в ядрі зоряного залишку. Тим не менш, деталі цього процесу як і раніше не ясні.

Труднощі чисельного моделювання таких явищ пов'язані з великим діапазоном параметрів, таких як відстані і температури, а також з відсутністю жорстких кордонів, що зазвичай полегшують відтворення процесів на комп'ютері. В абсолютній більшості моделей, що описують наднові, передбачається виникнення надзвукової детонаційної хвилі. Однак формування самого цього обурення не вдається відтворити з перших принципів, тому детонація постулюється, а місце і час її виникнення фактично виявляються вільними параметрами.

Американські фізики під керівництвом Олексія Полудненка (Alexei Poludnenko) з Техаського університету A&M запропонували нову теорію, що описує перехід від дефлаграції до детонації. Проведений авторами аналіз показує, що спалахи наднових схожі на добре відомі на Землі вибухи, але замість хімічної енергії зв'язків в молекулах процес підтримує термоядерна енергія злиття ядер.

В результаті дослідники сформулювали аналітичну теорію викликаної турбулентністю детонації, яка справедлива як для надр білих карликів, так і для земних вибухонебезпечних систем. На її основі вчені створили комп'ютерну модель, яка чисельно вирішувала врівняння.

Потім фізики провели лабораторні експерименти, дані яких узгоджувалися з теорією. В дослідах вони спостерігали реакцію в газовій суміші водню з повітрям у відкритій з одного боку трубі довжиною 1,5 метра, а також фіксували тиск і швидкість поширення фронту. В результаті вдалося показати, що початкове горіння викликало турбулентність, яка, в свою чергу, прискорювала перебіг реакції. Коли швидкість хвилі починала перевищувати швидкість Чепмена - Жуге, яка визначається як швидкість звуку в області продуктів реакції, помножена на контраст щільності до і після хвильового фронту, то горіння ставало нестабільним і переходило в детонацію.

Масштабуючи отримані результати на параметри білих карликів, автори приходять до висновку, що при звичайних для надр зоряних залишків щільності речовини близько 10⁷-10⁸ грам на кубічний сантиметр мимовільний перехід від дефлаграції до детонації практично неминучий.

Раніше астрономи знайшли надзвичайно масивного білого карлика, який мав вибухнути у вигляді наднової, виявили білого карлика, що доїдає планету, і вперше побачили стиснення молодого білого карлика.