Superdatorer antas finna svar kosmiska frågor.

 

Bild University of Victoria Ett snitt genom det datasimulerade inre av en röd jättestjärna.

Superdatorer kommer i framtiden att göra det än mer möjligt att lösa en intressant astronomisk frågeställning. Hur kan vi förklara förändringarna i den kemiska sammansättningen på ytan av röda jättestjärnor då de utvecklas?

I årtionden har forskare varit osäkra på exakt hur den förändrade kemiska sammansättningen i centrum av en röd jättestjärna, orsakad av kärnbränning, hänger ihop med förändringar i sammansättningen vid ytan. Ett stabilt lager fungerar som en barriär mellan stjärnans inre och det yttre höljet. Hur grundämnen korsar det lagret förblev ett mysterium tills nu.

Svaret blev? Stjärnrotation.

"Med hjälp av högupplösta 3D-simuleringar kunde vi identifiera vilken påverkan som stjärnors rotation har på elementernas förmåga att korsa barriären," beskriver Simon Blouin, huvudforskare och postdoktoral forskare vid UVic. "Stjärnrotation är avgörande och ger en naturlig förklaring till de observerade kemiska signaturerna hos typiska röda jättestjärnor.Upptäckten är ytterligare ett steg framåt i förståelsen av hur stjärnor utvecklas över tid." 

(En röd jättestjärna är ett sent, ljusstarkt skede i en stjärnas liv när den sväller till enorma proportioner (100–1000 gånger solens diameter) och får en rödaktig färg på grund av lägre yttemperatur. Detta sker när vätet i kärnan tar slut och stjärnan börjar fusionera tyngre ämnen. Vår sol förväntas bli en röd jätte om ca 5 miljarder år.)

 Teamet använde datorresurser vid Texas Advanced Computing Centre vid University of Texas i Austin och det nya Trillium-superdatorklustret vid SciNet vid University of Toronto för att genomföra sina datorsimuleringar. Trillium, som lanserades i augusti 2025 är en av de mest kraftfulla superdatorerna för stora-parallella simuleringar som finns tillgängliga för akademisk forskning i Kanada och är en av flera nationella superdatorer inom Digital Research Alliance of Canada. Dess utökade datorkraft var avgörande för att slutföra forskningen.

I en nyligen publicerad artikel i Nature Astronomy visas hur forskarna vid University of Victorias (UVic) Astronomy Research Centre (ARC) och University of Minnesota löste problemet. Forskningen stöddes av Natural Sciences and Engineering Research Council (NSERC), National Science Foundation (NSF) och USA:s energidepartement.

Detta är högenergikomponenten i den kosmiska strålningen

 

Bild https://english.cas.cn/ Det kosmiska strålprotonenergispektrumet mätt av LHAASO i "knä"-regionen (röda prickar), tillsammans med lågenergikomponenten mätt i det rymdburna AMS-02-experimentet (svarta rutor) och den mellanenergikomponenten som mäts vid det rymdburna DOPE-experimentet (blå rutor). (Bild av LHAASO Collaboration)

Kinesiska forskare identifierar svarta hål som en sannolik källa till högenergikomponenten i kosmisk strålning i  så kallade "knä"

Milstolpesresultat som släpptes av Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) den 16 november har löst ett decenniegammalt mysterium kring det kosmiska strålningsenergispektrumet vilket visar en kraftig minskning av kosmiska strålar över 3 PeV, (petaelektronvolt) något som ger det en ovanlig knäliknande form.

Orsaken till "knäet" har varit oklar sedan dess upptäckt för nästan 70 år sedan. Forskare har spekulerat i att det är kopplat till accelerationsgränsen för de astrofysiska källorna till kosmisk strålning och speglar övergången av det kosmiska strålningsenergispektrumet från en potenslagsfördelning till en annan.

Nu beskrivs dock i två nyligen publicerade studier. Publicerade i National Science Review respektive Science Bulletin att mikrokvasarer drivna av svarta håls systemackretion är kraftfulla partikelacceleratorer i Vintergatan och sannolikt är  källan till "knäet". Studierna fördjupar också vår förståelse av de extrema fysiska processerna i svarta hål.

Forskningen genomfördes av forskare från Institutet för högenergifysik vid Kinesiska vetenskapsakademin (CAS), Nanjing universitet, Kinas universitet för vetenskap och teknik vid CAS, La Sapienza-universitetet i Rom  m.fl. institutioner.

Svarta hål, ett av universums mest gåtfulla objekt och genererar relativistiska jetstrålar när de drar till sig material från följeslagare i binära system och bildar "mikro-kvasarer." I denna studie upptäckte LHAASO systematiskt för första gången ultrahögenergetiska gammastrålar från fem mikrokvasarer: SS 433, V4641 Sgr, GRS 1915+105, MAXI J1820+070 och Cygnus X-1.

Särskilt visade sig att ultrahögenergistrålningen från SS 433 överlappade med ett gigantiskt atommoln vilket starkt tyder på att högenergetiska protoner accelereras av det svarta hålet som kolliderar med omgivande materia. Protonenergin i detta system översteg 1 PeV, med en total effekt på cirka 1032 joule per sekund vilket motsvarar den energi som frigörs per sekund av fyra biljoner av de mest kraftfulla vätebomberna. Gammastråleenergin från V4641 Sgr visade sig nå 0,8 PeV, vilket gjorde det till en annan "super PeV-partikelaccelerator", medan de moderpartiklarna som genererade dessa gammastrålar hade energier över 10 PeV.

Dessa resultat bevisar att mikrokvasarer är betydande PeV-partikelacceleratorer i Vintergatan, vilket löser ett långvarigt vetenskapligt problem. Även om supernovarester historiskt erkäns som källor till kosmisk strålning, har både observations- och teoretiska studier visat att de inte kan accelerera kosmiska strålar till de energier som ses vid "knäet" och bortom.

För att fullt ut förstå detta fenomen är precisa mätningar av energispektra hos de olika kosmiska strålartiklarna, inklusive deras respektive "knän", avgörande. Det första steget är att mäta energispektrumet för de lättaste kärnorna, protonerna. Dock är kosmiska strålar i "knä"-regionen sällsynta och satellitdetektorer har begränsad möjlighet att upptäcka dem vilket gör detektering likvärdig med att hitta en nål i en höstack. Vid markbaserade indirekta mätningar av kosmiska strålpartiklar är det omöjligt att undvika atmosfärisk interferens. Detta gör det svårt att skilja protoner från andra kärnor. Under lång tid ansågs denna mätning omöjlig.

I studien hade man hjälp av sin världsledande markbaserade utrustning för observation av kosmisk strålning, utvecklad genom LHAASO multiparametrismätmetoder och valde ut ett stort statistiskt urval av högrena protoner, vilket möjliggjorde noggrann mätning av strålningens energispektrum. Denna mätning avslöjade en energispektrumstruktur som var helt oväntad, och visade tydligt en ny "högenergikomponent" istället för en enkel övergång mellan potenslagsspektra.

LHAASO, designades, byggdes och drivs av kinesiska forskare och har tagit ledningen inom högenergiforskning inom kosmisk strålning tack vare sin känslighet både vid gammastrålningsastronomisk utforskning och precisionsmätning av kosmisk strålning. Den har gjort en rad upptäckter som har global påverkan och därmed bidragit till vår kunskap om universums extrema fysiska processer.

LHAASOS nya fynd, tillsammans med lågenergikomponenten mätt av det rymdburna AMS-02-experimentet och medelenergikomponenten mätt av det rymdburna DArk Matter Particle Explorer(DAMPE)-experimentet, avslöjade existensen av flera acceleratorer inom Vintergatan, där varje accelerator har sin egen unika accelerationsförmåga och energiintervall. "Knäet" representerar accelerationsgränsen för de källor som ansvarar för att generera högenergikomponenten.

Protoners energispektrums komplexa struktur indikerar att kosmiska strålars protoner inom PeV-energiområdet främst härstammar från "källor" såsom mikrokvasarer, vilka har en accelerationsgräns betydligt högre än supernovarester. Detta gör det möjligt för dem att generera högenergetiska kosmiska strålar som överstiger "knäet".

Dessa två upptäckter stöder varandra och presenterar en heltäckande vetenskaplig bild. Detta markerar inte bara ett betydande framsteg i att lösa det långvariga mysteriet kring "knä"-ursprunget, utan erbjuder också avgörande observationsbevis för att förstå svarta håls roll i kosmiska strålars ursprung.