Simulações tridimensionais de supernovas resolveram o mistério de por que explodem.
Em 1987, uma estrela gigante explodiu bem ao lado de nossa galáxia, a Via Láctea. Foi a supernova mais brilhante e próxima desde a invenção do telescópio, cerca de quatro séculos antes, e quase todos os observatórios se voltaram para dar uma olhada. Talvez o mais emocionante é que observatórios especializados enterrados nas profundezas do subsolo capturaram tímidas partículas subatômicas chamadas neutrinos que saíam da explosão.
Essas partículas foram propostas pela primeira vez como a força motriz por trás das supernovas em 1966, o que tornou sua detecção uma fonte de conforto para os teóricos que vinham tentando entender o funcionamento interno das explosões. No entanto, ao longo das décadas, os astrofísicos constantemente esbarravam no que parecia ser uma falha fatal em seus modelos movidos a neutrino.
Os neutrinos são partículas notoriamente distantes, e as questões permanecem sobre como exatamente os neutrinos transferem sua energia para a matéria comum da estrela sob as condições extremas de uma estrela em colapso. Sempre que os teóricos tentavam modelar esses movimentos intrincados de partículas e interações em simulações de computador, a onda de choque da supernova parava e voltava sobre si mesma. As falhas “consolidaram a ideia de que nossa teoria principal sobre como as supernovas explodem talvez não funcione”, disse Sean Couch, astrofísico computacional da Michigan State University.
D. Vartanyan, A. Burrows. Agradecimentos a ALCF, D. Radice e H. Nakagura
Claro, os detalhes do que acontece nas profundezas de uma supernova conforme ela explode sempre foram misteriosos. É um caldeirão de extremos, uma sopa turbulenta de matéria transmutada, onde partículas e forças muitas vezes ignoradas em nosso mundo cotidiano se tornam críticas. Para agravar o problema, o interior explosivo está em grande parte escondido da vista, envolto por nuvens de gás quente. Compreender os detalhes das supernovas “tem sido um problema central não resolvido na astrofísica”, disse Adam Burrows, astrofísico da Universidade de Princeton que estudou supernovas por mais de 35 anos.
Nos últimos anos, no entanto, os teóricos foram capazes de se concentrar nos mecanismos surpreendentemente complexos que fazem as supernovas funcionar. Simulações que explodem se tornaram a norma, e não a exceção, escreveu Burrows na Nature este mês. Os códigos de computador de grupos de pesquisa rivais estão agora concordando sobre como as ondas de choque da supernova evoluem, enquanto as simulações avançaram tanto que até mesmo os efeitos da relatividade geral notoriamente intrincada de Einstein estão sendo incluídos. O papel dos neutrinos está finalmente sendo compreendido.
“É um divisor de águas”, disse Couch. O que eles estão descobrindo é que sem turbulência, as estrelas em colapso podem nunca formar supernovas.
Uma dança caótica
Durante grande parte da vida de uma estrela, a atração da gravidade para dentro é delicadamente equilibrada pela pressão para fora da radiação das reações nucleares dentro do núcleo da estrela. Conforme a estrela fica sem combustível, a gravidade toma conta. O núcleo colapsa sobre si mesmo – despencando a 150.000 quilômetros por hora – fazendo com que as temperaturas subam para 100 bilhões de graus Celsius e fundindo o núcleo em uma bola sólida de nêutrons.
As camadas externas da estrela continuam a cair para dentro, mas quando atingem esse núcleo de nêutron incompressível, elas ricocheteiam nele, criando uma onda de choque. Para que a onda de choque se transforme em uma explosão, ela deve ser impulsionada para fora com energia suficiente para escapar da atração da gravidade da estrela. A onda de choque também deve lutar contra a espiral interna das camadas mais externas da estrela, que ainda estão caindo sobre o núcleo.
Até recentemente, as forças que impulsionam a onda de choque eram entendidas apenas nos termos mais borrados. Durante décadas, os computadores só foram poderosos o suficiente para executar modelos simplificados do núcleo em colapso. As estrelas foram tratadas como esferas perfeitas, com a onda de choque emanando do centro da mesma forma em todas as direções. Mas, conforme a onda de choque se move para fora nesses modelos unidimensionais, ela diminui e depois vacila.
Somente nos últimos anos, com o crescimento dos supercomputadores, os teóricos tiveram poder computacional suficiente para modelar estrelas massivas com a complexidade necessária para atingir explosões. Os melhores modelos agora integram detalhes como as interações de nível micro entre neutrinos e matéria, os movimentos desordenados dos fluidos e os avanços recentes em muitos campos diferentes da física – da física nuclear à evolução estelar. Além disso, os teóricos agora podem executar muitas simulações a cada ano, permitindo-lhes ajustar livremente os modelos e experimentar diferentes condições iniciais.
Uma virada aconteceu em 2015, quando Couch e seus colaboradores executaram um modelo de computador tridimensional dos minutos finais do colapso de uma estrela massiva. Embora a simulação tenha mapeado apenas 160 segundos da vida da estrela, ela iluminou o papel de um jogador subestimado que ajuda as ondas de choque paradas a se transformarem em explosões totalmente desenvolvidas.
Escondidas dentro da barriga da besta, as partículas se retorcem e giram caoticamente. “É como ferver água no fogão. Há reviravoltas massivas de fluido dentro da estrela, indo a milhares de quilômetros por segundo”, disse Couch.
Esta turbulência cria uma pressão extra por trás da onda de choque, empurrando-a para longe do centro da estrela. Longe do centro, a atração da gravidade para dentro é mais fraca e há menos matéria caindo para dentro para moderar a onda de choque. A matéria turbulenta que salta atrás da onda de choque também tem mais tempo para absorver neutrinos. A energia dos neutrinos aquece a matéria e leva a onda de choque a uma explosão.
Durante anos, os pesquisadores não perceberam a importância da turbulência, porque ela apenas revela seu impacto total em simulações feitas em três dimensões. “O que a natureza faz sem esforço, levamos décadas para conseguir à medida que subimos de uma dimensão para duas e três dimensões”, disse Burrows.
D. Vartanyan, A. Burrows. Agradecimentos a ALCF, D. Radice e H. Nakagura
Essas simulações também revelaram que a turbulência resulta em uma explosão assimétrica, onde a estrela se parece um pouco com uma ampulheta. Conforme a explosão empurra para fora em uma direção, a matéria continua caindo sobre o núcleo em outra direção, alimentando ainda mais a explosão da estrela.
Essas novas simulações estão dando aos pesquisadores uma melhor compreensão de como exatamente as supernovas moldaram o universo que vemos hoje. “Podemos obter o intervalo correto de energia de explosão e podemos obter as massas de estrelas de nêutrons que vemos deixadas para trás”, disse Burrows. Supernovas são em grande parte responsáveis por criar o orçamento do universo de elementos pesados, como oxigênio e ferro, e os teóricos estão começando a usar simulações para prever exatamente quanto desses elementos pesados deve estar ao redor. “Agora estamos começando a enfrentar problemas que eram inimagináveis no passado”, disse Tuguldur Sukhbold, astrofísico teórico e computacional da Ohio State University.
A próxima explosão
Apesar do aumento exponencial do poder de computação, uma simulação de supernova é muito mais rara do que uma observação no céu. “Vinte anos atrás, havia cerca de 100 supernovas sendo descobertas a cada ano”, disse Edo Berger, um astrônomo da Universidade de Harvard. “Agora estamos descobrindo 10.000 ou 20.000 a cada ano”, um aumento impulsionado por novos telescópios que examinam rápida e repetidamente o céu noturno. Em contraste, em um ano os teóricos realizam cerca de 30 simulações de computador. Uma única simulação, recriando apenas alguns minutos de colapso do núcleo, pode levar muitos meses. “Você faz o check-in todos os dias e só passa um milissegundo”, disse Couch. “É como assistir a melaço no inverno.”
A ampla precisão das novas simulações deixou os astrofísicos animados para a próxima explosão nas proximidades. “Enquanto esperamos pela próxima supernova [em nossa galáxia], temos muito trabalho a fazer. Precisamos melhorar a modelagem teórica para entender quais recursos podemos detectar”, disse Irene Tamborra, astrofísica teórica da Universidade de Copenhagen. “Você não pode perder a oportunidade, porque é um evento muito raro.”
A maioria das supernovas está muito longe da Terra para que os observatórios detectem seus neutrinos. As supernovas nas imediações da Via Láctea – como a Supernova 1987A – ocorrem em média uma vez a cada meio século.
Mas se isso ocorrer, os astrônomos serão capazes de “olhar diretamente para o centro da explosão”, disse Berger, observando suas ondas gravitacionais. “Diferentes grupos enfatizaram diferentes processos como sendo importantes na explosão real da estrela. E esses diferentes processos têm diferentes ondas gravitacionais e assinaturas de neutrino”.
Embora os teóricos já tenham alcançado um amplo consenso sobre os fatores mais importantes que impulsionam as supernovas, os desafios permanecem. Em particular, o resultado da explosão é “fortemente ditado” pela estrutura do núcleo de uma estrela antes do colapso, disse Sukhbold. Pequenas diferenças são ampliadas em uma variedade de resultados pelo colapso caótico e, portanto, a evolução de uma estrela antes do colapso também deve ser modelada com precisão.
Outras questões incluem o papel de campos magnéticos intensos no núcleo de uma estrela em rotação. “É muito possível que você tenha um mecanismo híbrido de campos magnéticos e neutrinos”, disse Burrows. A forma como os neutrinos mudam de um tipo – ou “sabor” – para outro e como isso afeta a explosão também não é clara.
“Há muitos ingredientes que ainda precisam ser adicionados às nossas simulações”, disse Tamborra. “Se uma supernova explodir amanhã e corresponder às nossas previsões teóricas, isso significa que todos os ingredientes que estamos perdendo podem ser negligenciados com segurança. Mas se este não for o caso, precisamos entender por quê.”
Publicado em 22/01/2021 13h05
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