Es uno de los eventos más intensos y violentos de todos en el espacio: una supernova. Mediante el uso de sofisticadas simulaciones por computadora, han sido capaces de crear modelos tridimensionales que muestran los efectos físicos: movimientos intensos y violentos que ocurren cuando la materia estelar se dibuja hacia adentro. Es una nueva y audaz mirada a la dinámica que ocurre cuando una estrella explota.
Como sabemos, las estrellas que tienen entre ocho y diez veces la masa del Sol están destinadas a poner fin a sus vidas en una explosión masiva, los gases soplados al espacio con una fuerza increíble. Estos eventos cataclísmicos se encuentran entre los eventos más brillantes y poderosos del Universo y pueden eclipsar a una galaxia cuando ocurren. Es este mismo proceso el que crea elementos críticos para la vida tal como la conocemos, y el comienzo de las estrellas de neutrones.
Las estrellas de neutrones son un enigma en sí mismas. Estos remanentes estelares altamente compactos contienen hasta 1,5 veces la masa del Sol, pero están comprimidos al tamaño de una ciudad. No es un apretón lento. Esta compresión ocurre cuando el núcleo estelar implosiona por la gravedad intensa de su propia masa ... y solo toma una fracción de segundo. ¿Algo puede detenerlo? Si. Tiene un limite. El colapso cesa cuando se excede la densidad de los núcleos atómicos. Eso es comparable a alrededor de 300 millones de toneladas comprimidas en algo del tamaño de un terrón de azúcar.
El estudio de las estrellas de neutrones abre una dimensión completamente nueva de preguntas que los científicos están ansiosos por responder. Quieren saber qué causa la interrupción estelar y cómo puede la implosión del núcleo estelar volver a una explosión. En la actualidad, teorizan que los neutrinos pueden ser un factor crítico. Estas pequeñas partículas elementales se crean y expulsan en números monumentales durante el proceso de supernova y pueden muy bien actuar como elementos de calentamiento que provocan la explosión. Según el equipo de investigación, los neutrinos podrían impartir energía en el gas estelar, lo que provocaría una mayor presión. A partir de ahí, se crea una onda de choque y, a medida que se acelera, podría interrumpir la estrella y causar una supernova.
Por muy plausible que parezca, los astrónomos no están seguros de si esta teoría podría funcionar o no. Debido a que los procesos de una supernova no pueden recrearse en condiciones de laboratorio y no podemos ver directamente el interior de una supernova, solo tendremos que confiar en las simulaciones por computadora. En este momento, los investigadores pueden recrear un evento de supernova con ecuaciones matemáticas complejas que replican los movimientos del gas estelar y las propiedades físicas que ocurren en el momento crítico del colapso del núcleo. Estos tipos de cálculos requieren el uso de algunas de las supercomputadoras más potentes del mundo, pero también ha sido posible utilizar modelos más simplificados para obtener los mismos resultados. "Si, por ejemplo, se incluyeron los efectos cruciales de los neutrinos en algún tratamiento detallado, las simulaciones por computadora solo podrían realizarse en dos dimensiones, lo que significa que se suponía que la estrella en los modelos tenía una simetría de rotación artificial alrededor de un eje". dice el equipo de investigación.
Con el apoyo de Rechenzentrum Garching (RZG), los científicos pudieron crear en un programa informático singularmente eficiente y rápido. También se les dio acceso a las supercomputadoras más potentes, y un premio de tiempo de computadora de casi 150 millones de horas de procesador, que es el mayor contingente otorgado hasta ahora por la iniciativa "Asociación para la Computación Avanzada en Europa (PRACE)" de la Unión Europea, la El equipo de investigadores del Instituto Max Planck de Astrofísica (MPA) en Garching ahora podía simular por primera vez los procesos en estrellas colapsadas en tres dimensiones y con una descripción sofisticada de toda la física relevante.
“Para este propósito, utilizamos casi 16,000 núcleos de procesador en modo paralelo, pero aún así, una sola ejecución del modelo tomó aproximadamente 4.5 meses de computación continua”, dice el estudiante de doctorado Florian Hanke, quien realizó las simulaciones. Solo dos centros de computación en Europa pudieron proporcionar máquinas lo suficientemente potentes para períodos tan largos de tiempo, a saber, CURIE en Très Grand Centre de calcul (TGCC) du CEA cerca de París y SuperMUC en Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) en Munich / Garching.
Dados varios miles de millones de bytes de datos de simulación, tomó algún tiempo antes de que los investigadores pudieran comprender completamente las implicaciones de sus ejecuciones de modelos. Sin embargo, lo que vieron los entusiasmó y los sorprendió. El gas estelar se comportó de una manera muy similar a la convección ordinaria, con los neutrinos dirigiendo el proceso de calentamiento. Y eso no es todo ... También encontraron fuertes movimientos de chapoteo que cambian transitoriamente a movimientos de rotación. Este comportamiento se ha observado anteriormente y se ha denominado Inestabilidad de choque de acreción permanente. Según el comunicado de prensa, "este término expresa el hecho de que la esfericidad inicial de la onda de choque de la supernova se rompe espontáneamente, porque el choque desarrolla asimetrías pulsantes de gran amplitud por el crecimiento oscilatorio de perturbaciones de semillas inicialmente pequeñas y aleatorias. Hasta ahora, sin embargo, esto se había encontrado solo en simulaciones de modelo simplificadas e incompletas ".
"Mi colega Thierry Foglizzo, del Servicio de Astrofísica de CEA-Saclay, cerca de París, ha obtenido una comprensión detallada de las condiciones de crecimiento de esta inestabilidad", explica Hans-Thomas Janka, jefe del equipo de investigación. "Ha construido un experimento, en el que un salto hidráulico en un flujo circular de agua exhibe asimetrías pulsacionales en estrecha analogía con el frente de choque en la materia colapsada del núcleo de la supernova". Conocido como el análogo de la inestabilidad de choque en aguas poco profundas, el proceso dinámico se puede demostrar de maneras menos tecnificadas al eliminar los efectos importantes del calentamiento de neutrinos, una razón que hace que muchos astrofísicos duden que las estrellas que colapsan puedan pasar por este tipo de inestabilidad. Sin embargo, los nuevos modelos de computadora pueden demostrar que la inestabilidad del choque de acreción permanente es un factor crítico.
“No solo gobierna los movimientos de masas en el núcleo de la supernova, sino que también impone firmas características en la emisión de neutrinos y ondas gravitacionales, que serán medibles para una futura supernova galáctica. Además, puede conducir a fuertes asimetrías de la explosión estelar, en el curso de la cual la estrella de neutrones recién formada recibirá una gran patada y giro ”, describe el miembro del equipo Bernhard Müller las consecuencias más significativas de tales procesos dinámicos en el núcleo de la supernova.
¿Hemos terminado con la investigación de supernovas? ¿Entendemos todo lo que hay que saber sobre las estrellas de neutrones? No es difícil. En la actualidad, el científico está listo para continuar sus investigaciones sobre los efectos medibles relacionados con SASI y refinar sus predicciones de señales asociadas. En el futuro, ampliarán su comprensión realizando simulaciones cada vez más largas para revelar cómo la inestabilidad y el calentamiento de neutrinos reaccionan juntos. Quizás algún día puedan demostrar que esta relación es el detonante que enciende una explosión de supernova y concibe una estrella de neutrones.
Fuente original de la historia: Comunicado de prensa del Instituto Max Planck de Astrofísica.
