На основі оригінальних математичних аналітичних і числових методів для потреб астрофізики побудовано поляризаційні карти, що відкрило шлях до детального розуміння того, як зорі закінчують своє життя.

Останні кілька років ознаменувалися великими досягненнями у спостереженні високоенергетичних процесів у космосі: вперше було детектовано гравітаційне випромінювання від злиття чорних дір, нейтронних зір, зроблено фотографію тіні чорної діри, з’явилися суттєві здобутки в розумінні природи гама-спалахів, розвивається нейтринна астрономія. Готуються до запуску великі космічні та наземні телескопи великої інформативної спроможності. Зокрема, об’єднання українських наукових колективів, а саме – Інституту прикладних проблем механіки і математики імені Я.С. Підстригача НАН України й астрономічних обсерваторій Київського та Львівського національних університетів, – є членом Міжнародного наукового консорціуму CTA (Cherenkov Telescope Array) – чи не найамбітнішого проєкту в астрофізиці наступного десятиліття. Він спостерігатиме небо шляхом реєстрації квантів із найвищими енергіями.

Нові можливості спостережень, а також зростання обчислювальних потужностей актуалізують завдання створення теоретичних моделей, які завдяки застосуванню розвинутіших математичних методів і деталізації опису вперше пояснюватимуть певні спостережні результати.

Органічним компонентом різноманітних астрофізичних систем є магнітне поле. Проте його просторова структура переважно залишається невизначеною. Наприклад, уже віддавна відомими є спостереження космічних об’єктів у поляризованому випромінюванні (найяскравіший результат останніх тижнів – доповнення поляризаційними лініями першої в світі фотографії тіні чорної діри). Проте отримані у спостереженнях поляризаційні карти є пласкими проєкціями складної тривимірної структури, на додачу візуально спотвореної ефектом Фарадея (обертанням площини поляризації випромінювання вздовж променя зору, яке залежить від розподілу густини плазми та напруженості магнітного поля). Тому карти поляризації ще донедавна могли лиш якісно підказати ідею про реальні магнітні структури.

Важливими з багатьох точок зору класами об’єктів є наднові та їхні залишки. Наднові – це вибухи зір із масами в 1,4 або понад 8 мас Сонця. Під час таких спалахів генерується значна частина хімічних елементів періодичної таблиці. Й цікаво, що людина складається на 75% з елементів, які з’явилися під час вибухів наднових. Залишок – це об’єкт, утворений зоряним викидом та ударною хвилею від наднової.

Магнітне поле, яке є важливою невід’ємною складовою залишків наднових, досі мало досліджене. Це спричинено тим, що вибухи зір та еволюцію їхніх залишків слід моделювати у трьох вимірах, бо є фізичні явища й ефекти, які не виникають при економніших симуляціях із меншою кількістю вимірів. А багатовимірне моделювання еволюції об’єкту зі врахуванням поведінки магнітного поля є викликом навіть для сучасних обчислювальних кластерів.

Науковці Інституту прикладних проблем механіки і математики імені Я.С. Підстригача НАН України доктор фізико-математичних наук Олег Петрук (O.Petruk) і кандидат фізико-математичних наук Василь Бешлей (V.Beshley) у співпраці з італійськими колегами (групою професора Сальваторе Орландо (S.Orlando) з Астрономічної обсерваторії Палермо) нещодавно здійснили таке моделювання для залишку відомої наднової, яка спалахнула 1987 року в галактиці Велика Магеланова Хмара. Відео, створене на основі комп’ютерних симуляцій, показує еволюцію магнітного поля та деталі його взаємодії з диском підвищеної густини, який оточував зорю, що спалахнула. Слід зазначити, що такі моделювання потребують значних обчислювальних ресурсів (близько мільйона процесоро-годин) і генерують дані  обсягом у десятки терабайт.

Рис.1. Тривимірна структура залишку наднової 1987 року станом на 2017 рік, отримана за результатами магнітогідродинамічної симуляції її еволюції.

Науковці розробили метод, який на основі створеної тривимірної магнітогідродинамічної моделі дає змогу побудувати карти поляризації, а відтак протестувати просторовий розподіл магнітного поля у цьому важливому об’єкті шляхом порівняння з поляризаційними картами, одержаними зі спостережень 2017 року, отримавши добре узгодження. Тим самим підтверджено правильність математичної моделі і відкрито шлях до детального розуміння того, як зорі закінчують своє життя.

Рис.2. Згенерована на основі розрахунків карта об’єкта в радіодіапазоні (яскравість зростає від синього до червоного кольору) з локальними площинами поляризації синхротронного випромінювання (білі риски), які визначаються структурою магнітного поля всередині залишку