Estudio revela nuevas simulaciones del comportamiento de supernovas exóticas
Por: ASIAA.
15 de septiembre de 2023.
La simulación tridimensional de la exótica supernova revela las estructuras turbulentas generadas durante la eyección de material en la explosión. Crédito de la imagen: Ke-Jung Chen/ASIAA.
Después de años de investigación dedicada y más de 5 millones de horas de computación en supercomputadoras, un equipo de investigación internacional ha creado las primeras simulaciones hidrodinámicas de radiación 3D de alta resolución del mundo para supernovas exóticas. Esta investigación fue liderada por expertos del Instituto de Astronomía y Astrofísica de la Academia Sínica (ASIAA) en Taiwán, utilizando las poderosas supercomputadoras del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y el Observatorio Astronómico Nacional de Japón para lograr el gran avance.
Las explosiones de supernovas son el final más espectacular para las estrellas masivas, ya que concluyen sus ciclos de vida de forma autodestructiva, liberando instantáneamente un brillo equivalente a miles de millones de soles, iluminando todo el Universo. Durante esta explosión, los elementos pesados formados dentro de la estrella también son expulsados, sentando las bases para el nacimiento de nuevas estrellas y planetas y desempeñando un papel crucial en el origen de la vida.
Las supernovas son un interés clave en la astrofísica moderna, ya que abarcan numerosas cuestiones astronómicas y físicas importantes tanto en teoría como en observación, y tienen un importante valor de investigación. Durante el último medio siglo, la investigación ha proporcionado una comprensión relativamente completa de las supernovas. Sin embargo, las últimas observaciones de supernovas a gran escala están revelando muchas explosiones estelares inusuales (supernovas exóticas) que desafían y anulan la comprensión previamente establecida de la física de las supernovas.
Entre las supernovas exóticas, las supernovas superluminosas y las supernovas eternamente luminosas son las más desconcertantes. El brillo de las supernovas superluminosas es aproximadamente 100 veces mayor que el de las supernovas normales, que normalmente sólo mantienen su brillo durante unas pocas semanas o unos meses, por el contrario, las supernovas eternamente luminosas pueden mantener su brillo durante varios años o incluso más. Aún más sorprendente es que algunas supernovas exóticas exhiben variaciones irregulares e intermitentes de brillo, asemejándose a erupciones en forma de fuentes. Estas peculiares supernovas pueden contener la clave para comprender la evolución de las estrellas más masivas del Universo.
Los orígenes de estas exóticas supernovas aún no se comprenden del todo, pero los astrónomos creen que pueden surgir de estrellas masivas inusuales. En el caso de estrellas con masas que oscilan entre 80 y 140 veces la del Sol, a medida que se acercan al final de sus vidas, sus núcleos sufren reacciones de fusión de carbono. Durante este proceso, los fotones de alta energía pueden crear pares electrón-positrón, provocando pulsaciones en el núcleo y provocando varias contracciones violentas. Estas contracciones liberan grandes cantidades de energía de fusión y desencadenan explosiones, lo que da lugar a grandes erupciones en las estrellas.
Actualmente, el número de estrellas tan masivas en el universo es relativamente raro, lo que se alinea con la escasez de supernovas peculiares. Por lo tanto, los científicos sospechan que es muy probable que las estrellas con masas que oscilan entre 80 y 140 veces la del Sol sean las progenitoras de supernovas peculiares. Sin embargo, las inestables estructuras evolutivas de estas estrellas hacen que su modelización sea bastante desafiante, y los modelos actuales se limitan principalmente a simulaciones unidimensionales.
Sin embargo, se encontraron graves deficiencias en los modelos unidimensionales anteriores. Las explosiones de supernovas generan turbulencias significativas, y la turbulencia juega un papel crucial en la explosión y el brillo de las supernovas. Sin embargo, los modelos unidimensionales no pueden simular la turbulencia a partir de los primeros principios. Estos desafíos han inhibido una comprensión profunda de los mecanismos físicos detrás de las supernovas exóticas en la astrofísica teórica actual.
Esta simulación de alta resolución de explosiones de supernovas presentó inmensos desafíos. A medida que aumentó la escala de la simulación, mantener una alta resolución se volvió cada vez más difícil, lo que aumentó significativamente la complejidad y las demandas computacionales, al tiempo que requirió la consideración de numerosos procesos físicos. Los hallazgos del equipo de investigación indican que el fenómeno de las erupciones intermitentes en estrellas masivas puede exhibir características similares a las de múltiples supernovas más tenues. Cuando chocan materiales de diferentes períodos de erupción, aproximadamente entre el 20 y el 30% de la energía cinética del gas se puede convertir en radiación, lo que explica el fenómeno de las supernovas superluminosas.
Además, el efecto de enfriamiento de la radiación hace que el gas en erupción forme una estructura laminar tridimensional densa pero desigual, y esta capa de la lámina se convierte en la principal fuente de emisión de luz en la supernova. Los resultados de su simulación explican efectivamente las características de observación de las supernovas exóticas mencionadas anteriormente. A través de simulaciones de supercomputadoras de última generación, este estudio logra avances significativos en la obtención de conocimientos sobre la física de las supernovas exóticas.
Fuente:
https://phys.org/news/2023-09-world-3d-simulations-reveal-physics.html