Le prime simulazioni 3D delle supernove superluminose


La fase nebulosa della supernova super-luminosa alimentata da magnetar dalla simulazione 3D. Al momento, la supernova ejecta si è espansa fino a raggiungere dimensioni simili a quelle del sistema solare. La miscelazione su larga scala appare nella regione esterna e interna dell’ejecta. Le curve di luce e gli spettri risultanti sono sensibili alla miscelazione che dipende dalla struttura stellare e dalle proprietà fisiche della magnetar.

Per la maggior parte del XX secolo, gli astronomi hanno perlustrato i cieli alla ricerca di supernove – le morti esplosive di enormi stelle – e dei loro resti alla ricerca di indizi sul progenitore, sui meccanismi che l’hanno fatta esplodere e sugli elementi pesanti creati nel processo. In realtà, questi eventi creano la maggior parte degli elementi cosmici che vanno a formare nuove stelle, le galassie e la vita.


Poiché nessuno può vedere una supernova da vicino, i ricercatori si affidano alle simulazioni al supercomputer per avere una visione della fisica che accende e guida l’evento. Ora, per la prima volta in assoluto, un team internazionale di astrofisici ha simulato la fisica tridimensionale (3-D) delle supernove superluminose, che sono circa cento volte più luminose delle tipiche supernove. Hanno raggiunto questa pietra miliare utilizzando il codice CASTRO del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e i supercomputer del National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Un articolo che descrive il loro lavoro è stato pubblicato su Astrophysical Journal.

Gli astronomi hanno scoperto che questi eventi superluminosi si verificano quando una magnetar – il cadavere di una stella massiccia il cui campo magnetico è trilioni di volte più forte della Terra – si trova al centro di una giovane supernova. La radiazione rilasciata dalla magnetar è ciò che amplifica la luminosità della supernova. Ma per capire come ciò accade, i ricercatori hanno bisogno di simulazioni multidimensionali.

“Per fare simulazioni 3-D di supernove superluminose alimentate da magnetar, è necessaria una grande potenza di supercalcolo e il codice giusto, uno che catturi la microfisica rilevante”, ha detto Ken Chen, autore principale dell’articolo e astrofisico presso l’Academia Sinica Institute of Astronomy and Astrophysics (ASIAA), Taiwan.

Il nucleo turbolento di una bolla magnetica all’interno delle supernove superluminose. La codifica a colori mostra le densità. La magnetar si trova al centro di questa immagine e da essa vengono emessi due flussi bipolari in uscita. La dimensione fisica del deflusso è di circa 10.000 km.

Aggiunge che la simulazione numerica necessaria per catturare le instabilità fluide di questi eventi superluminosi in 3D è molto complessa e richiede molta potenza di calcolo, motivo per cui nessuno l’ha mai fatto prima.

Le instabilità dei fluidi si verificano ovunque intorno a noi. Per esempio, se si prende un bicchiere d’acqua e si mette un po’ di colorante sopra, la tensione superficiale dell’acqua diventerà instabile e il colorante più pesante affonderà. Poiché due fluidi si muovono l’uno accanto all’altro, la fisica di questa instabilità non può essere catturata in una dimensione. È necessaria una seconda o terza dimensione, perpendicolare all’altezza per vedere tutta l’instabilità. Su scala cosmica, le instabilità dei fluidi che portano alla turbolenza e alla mescolanza giocano un ruolo critico nella formazione di oggetti cosmici come le galassie, le stelle e le supernove.

“È necessario catturare la fisica su una gamma di scale, da molto grande a molto piccola, in altissima risoluzione per modellare accuratamente gli oggetti astrofisici come le supernove superluminose. Questo rappresenta una sfida tecnica per gli astrofisici. Siamo stati in grado di superare questo problema con un nuovo schema numerico e diversi milioni di ore di supercalcolo al NERSC”, ha detto Chen.

Per questo lavoro, i ricercatori hanno modellato un residuo di supernova largo circa 15 miliardi di chilometri con all’interno una densa magnetar larga 10 chilometri. In questo sistema, le simulazioni mostrano che le instabilità idrodinamiche si formano su due scale nel materiale residuo. Una instabilità è nella bolla calda alimentata dal magnetar e l’altra si verifica quando l’urto in avanti della giovane supernova si scontra contro il gas ambientale.

Nucleo turbolento della bolla della magnetar all’interno delle supernove superluminose. La codifica a colori mostra le densità. La magnetar si trova al centro di questa immagine. La forte turbolenza è causata dalla radiazione della magnetar centrale.

“Entrambe queste instabilità dei fluidi causano una maggiore miscelazione rispetto a quella che si verifica normalmente in un tipico evento di supernova, il che ha conseguenze significative per le curve di luce e gli spettri delle supernove superluminose. Niente di tutto questo sarebbe stato catturato in un modello unidimensionale”, ha detto Chen.

Hanno anche scoperto che la magnetar può accelerare gli elementi di calcio e silicio che sono stati espulsi dalla giovane supernova a velocità di 12.000 chilometri al secondo, che rappresentano le loro linee di emissione più ampie nelle osservazioni spettrali. E che anche l’energia delle magnetar deboli può accelerare gli elementi del gruppo del ferro, che si trovano in profondità nel residuo della supernova, a 5.000-7.000 chilometri al secondo, il che spiega perché il ferro viene osservato all’inizio degli eventi di collasso del nucleo delle supernovae come la SN 1987A. Questo è stato un mistero per lungo tempo in astrofisica.

“Siamo stati i primi a modellare accuratamente un sistema di supernove superluminose in 3-D perché siamo stati fortunati ad avere accesso ai supercomputer NERSC”, ha detto Chen. “Questa struttura è un posto estremamente comodo per fare scienza all’avanguardia”.

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