As primeiras simulações 3D do mundo revelam a física de supernovas exóticas

Após anos de pesquisa dedicada e mais de 5 milhões de horas de computação em supercomputadores, uma equipe criou as primeiras simulações de hidrodinâmica de radiação 3D de alta resolução do mundo para supernovas exóticas. Este trabalho é relatado no The Astrophysical Journal.

A simulação tridimensional da supernova exótica revela as estruturas turbulentas geradas durante a ejeção do material na explosão. Estas estruturas turbulentas impactam subsequentemente o brilho e a estrutura de explosão de toda a supernova. A turbulência desempenha um papel crítico no processo de explosão de uma supernova, resultante do movimento irregular do fluido, levando a dinâmicas complexas. Estas estruturas turbulentas misturam e distorcem a matéria, influenciando a libertação e transferência de energia, afetando assim o brilho e a aparência da supernova. Através de simulações tridimensionais, os cientistas obtêm conhecimentos mais profundos sobre os processos físicos de explosões peculiares de supernovas e podem explicar os fenómenos observados e as características destas extraordinárias supernovas. Crédito: Ke-Jung Chen/ASIAA 

Ke-Jung Chen, do Instituto de Astronomia e Astrofísica da Academia Sinica (ASIAA), em Taiwan, liderou uma equipe internacional e usou os poderosos supercomputadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e do Observatório Astronômico Nacional do Japão para fazer a descoberta.

As explosões de supernovas são os finais mais espectaculares para estrelas massivas, pois concluem os seus ciclos de vida de forma autodestrutiva, libertando instantaneamente um brilho equivalente a milhares de milhões de sóis, iluminando todo o universo.

Durante esta explosão, elementos pesados formados dentro da estrela também são ejetados, lançando as bases para o nascimento de novas estrelas e planetas e desempenhando um papel crucial na origem da vida.

As supernovas são um interesse fundamental na astrofísica moderna, abrangendo inúmeras questões astronômicas e físicas importantes tanto na teoria quanto na observação, possuindo um valor de pesquisa significativo.

Ao longo do último meio século, a investigação proporcionou uma compreensão relativamente abrangente das supernovas. No entanto, as últimas observações de pesquisas de supernovas em grande escala estão a revelar muitas explosões estelares invulgares (supernovas exóticas) que desafiam e subvertem a compreensão previamente estabelecida da física das supernovas.

Entre as supernovas exóticas, as supernovas superluminosas e as supernovas eternamente luminosas são as mais desconcertantes. O brilho das supernovas superluminosas é cerca de 100 vezes maior que o das supernovas normais, que normalmente mantêm seu brilho apenas por algumas semanas a alguns meses.

Em contraste, as supernovas eternamente luminosas podem manter o seu brilho durante vários anos ou até mais. Ainda mais surpreendente é que algumas supernovas exóticas exibem variações irregulares e intermitentes de brilho, assemelhando-se a erupções semelhantes a fontes. Estas supernovas peculiares podem ser a chave para a compreensão da evolução das estrelas mais massivas do Universo.

As origens destas supernovas exóticas ainda não são totalmente compreendidas, mas os astrônomos acreditam que podem surgir de estrelas massivas invulgares. Para estrelas com massas que variam entre 80 e 140 vezes a do Sol, à medida que se aproximam do fim das suas vidas, os seus núcleos sofrem reações de fusão de carbono.

Durante este processo, fótons de alta energia podem criar pares elétron-pósitron, desencadeando pulsações no núcleo e levando a diversas contrações violentas. Estas contrações libertam grandes quantidades de energia de fusão e desencadeiam explosões, resultando em grandes erupções nas estrelas. Essas próprias erupções podem ser semelhantes às explosões regulares de supernovas. Além disso, quando materiais de diferentes períodos de erupção colidem, é possível produzir fenómenos semelhantes a supernovas superluminosas.

As distribuições físicas finais da supernova exótica, com quatro quadrantes de cores distintas representando diferentes quantidades físicas: I. temperatura, II. velocidade, III. densidade de energia radiativa e IV. densidade do gás. O círculo branco tracejado indica a posição da fotosfera da supernova. A partir desta imagem, toda a estrela fica turbulenta de dentro para fora. As posições onde os materiais ejetados colidem coincidem com a fotosfera, indicando a produção de radiação térmica durante essas colisões, que se propaga eficientemente para fora e simultaneamente cria uma camada de gás irregular. Esta imagem ajuda-nos a compreender a física subjacente às supernovas exóticas e fornece uma explicação para os fenómenos observados. Crédito: Ke-Jung Chen/ASIAA

Atualmente, o número dessas estrelas massivas no Universo é relativamente raro, o que se alinha com a escassez de supernovas peculiares. Portanto, os cientistas suspeitam que estrelas com massas que variam entre 80 e 140 vezes a do Sol têm grande probabilidade de serem as progenitoras de supernovas peculiares. No entanto, as estruturas evolutivas instáveis destas estrelas tornam a sua modelação bastante desafiadora, e os modelos atuais permanecem principalmente confinados a simulações unidimensionais.

No entanto, foram encontradas deficiências graves nos modelos unidimensionais anteriores. As explosões de supernovas geram turbulência significativa, e a turbulência desempenha um papel crucial na explosão e no brilho das supernovas. No entanto, os modelos unidimensionais são incapazes de simular a turbulência desde os primeiros princípios. Estes desafios inibiram uma compreensão profunda dos mecanismos físicos por trás das supernovas exóticas na astrofísica teórica atual.

Esta simulação de explosões de supernovas em alta resolução apresentou imensos desafios. À medida que a escala da simulação aumentou, manter a alta resolução tornou-se cada vez mais difícil, aumentando significativamente a complexidade e as exigências computacionais, ao mesmo tempo que exigia a consideração de numerosos processos físicos.

Ke-Jung Chen enfatizou que o código de simulação de sua equipe tinha vantagens sobre outros grupos concorrentes na Europa e na América. As simulações relevantes anteriores limitaram-se principalmente a modelos de fluidos unidimensionais e alguns modelos bidimensionais, enquanto em supernovas exóticas, os efeitos multidimensionais e a radiação desempenham um papel crucial, influenciando as emissões de luz e a dinâmica geral da explosão.

Simulações de hidrodinâmica de radiação consideram a propagação da radiação e suas interações com a matéria. Este intrincado processo de transporte de radiação torna os cálculos excepcionalmente desafiadores, com requisitos e dificuldades computacionais muito maiores do que as simulações de fluidos.

No entanto, devido à rica experiência da equipe na modelagem de explosões de supernovas e na execução de simulações em grande escala; eles finalmente conseguiram criar as primeiras simulações tridimensionais de hidrodinâmica de radiação de supernovas exóticas.

As descobertas da equipe de investigação indicam que o fenómeno de erupções intermitentes em estrelas massivas pode exibir características semelhantes às de múltiplas supernovas mais fracas. Quando materiais de diferentes períodos de erupção colidem, aproximadamente 20-30% da energia cinética do gás pode ser convertida em radiação, o que explica o fenômeno das supernovas superluminosas.

Além disso, o efeito de resfriamento da radiação faz com que o gás em erupção forme uma estrutura de folha tridimensional densa, mas irregular, e esta camada da folha se torna a principal fonte de emissão de luz na supernova. Os resultados da sua simulação explicam eficazmente as características observacionais das supernovas exóticas mencionadas acima.

Através de simulações de supercomputadores de última geração, este estudo faz avanços significativos na obtenção de insights sobre a física de supernovas exóticas. Com o início dos projetos de pesquisa de supernovas da próxima geração, os astrônomos irão detetar supernovas mais exóticas, moldando ainda mais a nossa compreensão das fases finais das estrelas massivas habituais e dos seus mecanismos de explosão.

Fonte: phys.org