Durante a maior parte do século 20, os astrônomos vasculharam o céu em busca de supernovas – a morte explosiva de estrelas massivas – e seus remanescentes em busca de pistas sobre o progenitor, os mecanismos que o fizeram explodir e os elementos pesados criados no processo. De fato, esses eventos criam a maioria dos elementos cósmicos que formam novas estrelas, galáxias e vida.
Como ninguém pode realmente ver uma supernova de perto, os pesquisadores confiam em simulações de supercomputadores para fornecer informações sobre a física que incendeia e conduz o evento. Agora, pela primeira vez, uma equipe internacional de astrofísicos simulou a física tridimensional (3D) das supernovas superluminosas – que são cerca de cem vezes mais luminosas que as supernovas típicas. Eles alcançaram esse marco usando o código CASTRO e os supercomputadores do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) no Centro de Computação Científica da National Energy Research (NERSC). Um artigo descrevendo seu trabalho foi publicado no Astrophysical Journal.
Os astrônomos descobriram que esses eventos superluminosos ocorrem quando um magnetar – o cadáver que gira rapidamente de uma estrela maciça cujo campo magnético é trilhões de vezes mais forte que o da Terra – está no centro de uma jovem supernova. A radiação liberada pelo magnetar é o que amplifica a luminosidade da supernova. Mas, para entender como isso acontece, os pesquisadores precisam de simulações multidimensionais.
“Para fazer simulações em 3D de supernovas superluminosas movidas a magnetar, você precisa de muita potência de supercomputação e do código certo, um que capte a microfísica relevante”, disse Ken Chen, principal autor do artigo e astrofísico da Academia Sinica Instituto de Astronomia e Astrofísica (ASIAA), Taiwan.
Ele acrescenta que a simulação numérica necessária para capturar as instabilidades fluidas desses eventos superluminosos em 3-D é muito complexa e requer muito poder computacional, razão pela qual ninguém o fez antes.
Instabilidades fluidas ocorrem ao nosso redor. Por exemplo, se você tomar um copo de água e colocar um pouco de tinta em cima, a tensão superficial da água ficará instável e a tinta mais pesada afundará no fundo. Como dois fluidos estão se movendo, a física dessa instabilidade não pode ser capturada em uma dimensão. Você precisa de uma segunda ou terceira dimensão, perpendicular à altura, para ver toda a instabilidade. Na escala cósmica, as instabilidades fluidas que levam à turbulência e à mistura desempenham um papel crítico na formação de objetos cósmicos como galáxias, estrelas e supernovas.
“Você precisa capturar a física em uma escala de escalas, de muito grande a muito pequena, em extremamente alta resolução para modelar com precisão objetos astrofísicos como supernovas superluminosas. Isso representa um desafio técnico para os astrofísicos. Conseguimos superar esse problema com uma novo esquema numérico e vários milhões de horas de supercomputação na NERSC “, afirmou Chen.
Para este trabalho, os pesquisadores modelaram um remanescente de supernova com aproximadamente 15 bilhões de quilômetros de largura e um denso magnetar de 10 quilômetros de largura. Neste sistema, as simulações mostram que instabilidades hidrodinâmicas se formam em duas escalas no material remanescente. Uma instabilidade está na bolha quente energizada pelo magnetar e a outra ocorre quando o choque dianteiro da jovem supernova explode contra o gás ambiente.
“Ambas as instabilidades de fluidos causam mais mistura do que normalmente ocorreria em um evento típico de supernova, o que tem consequências significativas para as curvas de luz e espectros de supernovas superluminosas. Nada disso seria capturado em um modelo unidimensional”, disse Chen .
Eles também descobriram que o magnetar pode acelerar os elementos de cálcio e silício que foram ejetados da supernova jovem para velocidades de 12.000 quilômetros por segundo, o que explica suas linhas de emissão ampliadas em observações espectrais. E que mesmo a energia dos magnetares fracos pode acelerar os elementos do grupo de ferro, localizados no fundo do remanescente da supernova, para 5.000 a 7.000 quilômetros por segundo, o que explica por que o ferro é observado no início de eventos de supernovas com colapso do núcleo, como SN 1987A. Este tem sido um mistério de longa data na astrofísica.
“Fomos os primeiros a modelar com precisão um sistema de supernova superluminoso em 3D porque tivemos a sorte de ter acesso aos supercomputadores da NERSC”, disse Chen. “Esta instalação é um local extremamente conveniente para se fazer ciência de ponta.”
Publicado em 27/04/2020 21h44
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