Физики уподобили вспышки сверхновых горению газа

Ученые построили теорию перехода от горения к детонации в процессе взрыва, а также провели подтверждающие идею эксперименты. Ключевую роль в новой концепции играет турбулентность, которая участвует в инициации горения в сверхзвуковой ударной волне. Результаты применимы для широкого класса процессов, причем как на Земле, так и в космосе, и могут прояснить даже детали вспышек сверхновых, пишут авторы в журнале Science.

С точки зрения физики процессы, которые называют взрывами, могут значительно отличаться в деталях. Одно из ключевых отличий связано со скоростью распространения фронта реакции по системе. Если эта граница фазового перехода перемещается медленнее скорости звука в среде, то происходит горение в режиме дефлаграции. Этот механизм ответственен, например, за быстрое сгорание смеси паров бензина с воздухом или фейерверков.

Принципиально другим режимом является детонация, при которой фронт превращений движется со сверхзвуковой скоростью. В отличие от дефлаграции, при которой передача энергии осуществляется преимущественно за счет процессов переноса, то есть конвекции, диффузии и адвекции, детонация поддерживается за счет энерговыделения вследствие сжатия вещества самой взрывной волной, так как ее прохождение создает подходящие условия и инициирует реакцию.

Вспышки сверхновых типа Ia — это самый изучаемый астрономический взрыв. Большинство астрофизиков считает, что они возникают при аккреции вещества на белый карлик или при слиянии двух белых карликов. В любом сценарии масса объекта должна превысить предел Чандрасекара, что запускает быстрое термоядерное горение углерода и кислорода в ядре звездного остатка. Тем не менее, детали этого процесса по-прежнему не ясны.

Трудности численного моделирования таких явлений связаны с большим диапазоном параметров, таких как расстояния и температуры, а также с отсутствием жестких границ, обычно облегчающих воссоздание процессов на компьютере. В абсолютном большинстве моделей, описывающих сверхновые, предполагается возникновение сверхзвуковой детонационной волны. Однако формирование самого этого возмущения не удается воспроизвести из первых принципов, поэтому детонация постулируется, а место и время ее возникновения фактически оказываются свободными параметрами.

Американские физики под руководством Алексея Полудненко (Alexei Poludnenko) из Техасского университета A&M предложили новую теорию, описывающую переход от дефлаграции к детонации. Проведенный авторами анализ показывает, что вспышки сверхновых похожи на хорошо известные на Земле взрывы, но вместо химической энергии связей в молекулах процесс поддерживает термоядерная энергия слияния ядер.

В результате исследователи сформулировали аналитическую теорию вызванной турбулентностью детонации, которая справедлива как для недр белых карликов, так и для земных взрывоопасных систем. На ее основе ученые создали компьютерную модель, которая численно решала получившиеся уравнения.

Затем физики провели лабораторные эксперименты, данные которых согласовывались с теорией. В опытах они наблюдали реакцию в газовой смеси водорода с воздухом в открытой с одной стороны трубе длиной 1,5 метра, а также фиксировали давление и скорость распространения фронта. В результате удалось показать, что изначальное горение вызывало турбулентность, которая, в свою очередь, ускоряла течение реакции. Когда скорость волны начинала превышать скорость Чепмена — Жуге, которая определяется как скорость звука в области продуктов реакции, умноженная на контраст плотности до и после волнового фронта, то горение становилось нестабильным и переходило в детонацию.

Масштабируя полученные результаты на параметры белых карликов, авторы приходят к выводу, что при обычных для недр звездных остатков плотности вещества порядка 107–108 грамм на кубический сантиметр самопроизвольный переход от дефлаграции к детонации практически неизбежен.

Ранее астрономы нашли чрезвычайно массивного белого карлика, который должен был взорваться в виде сверхновой, обнаружили доедающего планету белого карлика и впервые увидели сжатие молодого белого карлика.

Читайте также

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.