Simulações de supernovas em 3D revelam por que explodem
Matéria turbulenta gira em torno do centro da estrela em colapso. A turbulência dá um impulso adicional à onda de choque da supernova (azul), após a qual o núcleo denso da estrela localizada no centro forma uma estrela de nêutrons.
Em 1987, uma estrela gigante explodiu perto de nossa Galáxia da Via Láctea. Foi a supernova mais brilhante e próxima desde a invenção do telescópio (quase 400 anos atrás), e quase todos os observatórios se voltaram nesta direção para ver o evento mais de perto. O resultado mais interessante da observação foi que observatórios especiais localizados nas profundezas do subsolo foram capazes de detectar partículas subatômicas tímidas, neutrinos, cuja corrente saiu do centro da explosão.
A primeira sugestão de que essas partículas são a força motriz das explosões de supernovas foi feita em 1966. Encontrar essas partículas tornou-se uma fonte de conforto para os teóricos que tentam entender como funcionam as explosões. No entanto, nas décadas que se seguiram, os astrofísicos constantemente se depararam com uma falta aparentemente fatal de modelos baseados em neutrinos.
Os neutrinos são conhecidos por serem indiferentes, e como exatamente os neutrinos transferem energia para a matéria estelar comum sob condições extremas de implosão permanece obscuro. Em simulações do movimento e interação de partículas em um computador, os teóricos sempre trabalharam para que a onda de explosão da supernova pare e volte para a estrela. Por causa de todas essas falhas, "está enraizada a ideia de que nossa principal teoria de explosões de supernovas não funciona", disse Sean Couch , astrofísico computacional da Universidade Estadual de Michigan.
Claro, os processos específicos que ocorrem nas profundezas da supernova durante a explosão sempre permaneceram um mistério. É um caldeirão de condições extremas, uma sopa turbulenta de matéria transformadora. As partículas e forças que geralmente ignoramos em nossa vida diária tornam-se críticas. Para piorar as coisas, o interior da explosão está em grande parte escondido da vista por nuvens de gás quente. Compreender os detalhes de como funcionam as supernovas “tem sido um problema central não resolvido para a astrofísica”, disse Adam Burroughs , astrofísico da Universidade de Princeton que estudou supernovas por mais de 35 anos.
No entanto, nos últimos anos, os teóricos foram capazes de obter uma compreensão mais profunda dos processos surpreendentemente complexos das supernovas. Simulações de explosão tornaram-se a norma, não a exceção, pois escreveu Burroughs na revista Nature em janeiro de 2021. Os programas de computador de equipes de pesquisa rivais concordam sobre como as ondas de choque evoluem em uma explosão de supernova. As simulações chegaram a incluir até mesmo detalhes da extremamente complexa teoria da relatividade geral de Einstein. O papel dos neutrinos está finalmente começando a ser compreendido.
“Este é um momento decisivo”, disse Couch. Os físicos descobriram que, sem turbulência, as estrelas em colapso não poderiam formar supernovas.
Dança do caos
Durante a maior parte da vida de uma estrela, a atração gravitacional que atua em direção ao centro está em equilíbrio instável com a pressão externa da radiação das reações nucleares que ocorrem no núcleo da estrela. Quando uma estrela fica sem combustível, a gravidade vence. A estrela colapsa a uma velocidade de 150.000 km / h, o que eleva abruptamente a temperatura para 100 bilhões de ° C e derrete o núcleo da estrela, transformando-o em uma bola sólida de nêutrons.
As camadas externas da estrela continuam caindo para dentro, no entanto, ao colidir com esse núcleo de nêutron incompressível, elas ricocheteiam nele, criando uma onda de choque. Para que uma onda de choque se torne uma explosão, ela deve ser acelerada para fora com energia suficiente para superar a atração gravitacional da estrela. Além disso, a onda de choque tem que lutar contra as camadas externas da estrela que caem para dentro, sobre o núcleo.
Até recentemente, pouco se sabia sobre as forças que impulsionavam a onda de choque. Por décadas, os computadores não foram fortes o suficiente para funcionar apenas com modelos simplificados de um kernel em colapso. As estrelas foram consideradas esferas ideais e a onda de choque espalhou-se do centro simetricamente em todas as direções. Mas, nesses modelos unidimensionais, as ondas de explosão diminuem à medida que se movem, após o que diminuem.
Somente nos últimos anos, com o aumento do poder dos supercomputadores, os teóricos tiveram poder computacional suficiente para construir modelos suficientemente complexos de estrelas massivas capazes de produzir explosões. Os melhores modelos até hoje levam em consideração as interações entre os neutrinos e a matéria, o movimento desordenado dos fluidos e os avanços recentes na ciência, da física nuclear à evolução estelar. Além disso, os teóricos podem executar várias simulações por ano , ajustar as configurações do modelo e experimentar diferentes condições iniciais.
Uma das viradas aconteceu em 2015, quando Couch e seus colegas lançaram um modelo de computador 3D dos últimos minutos.colapso de uma estrela massiva. Embora a simulação tenha coberto apenas 160 segundos da vida da estrela, ela revelou claramente o papel de uma força subestimada em ajudar a transformar ondas de desaceleração em explosões completas.
No ventre do monstro, as partículas giraram e se espalharam caoticamente. “É como água fervendo em uma panela. Um líquido está girando em uma estrela, movendo-se a uma velocidade de milhares de quilômetros por segundo ”, disse Couch.
A turbulência cria pressão adicional na onda de choque, empurrando-a para longe do centro da estrela. E quanto mais longe do centro, mais fraca é a atração gravitacional e menos frequente a densidade da matéria caindo em direção ao centro, capaz de pacificar a onda de choque. Além disso, matéria turbulenta se movendo sob a cobertura de uma onda de choque tem mais tempo para absorver neutrinos. Então, essa energia do neutrino aquece a matéria e acelera a onda de choque até a explosão da estrela.
Os pesquisadores subestimaram a importância da turbulência por muitos anos, uma vez que ela só se mostra totalmente em simulações 3D. “Levamos décadas de trabalho para fazer o que a natureza pode fazer sem dificuldade. Gradualmente mudamos de uma dimensão para duas e depois para três ”, disse Burroughs.
No primeiro meio segundo após o colapso do núcleo da estrela, um turbilhão de matéria o envolve. Nesta simulação, as cores da matéria são atribuídas de acordo com a entropia, a medida de desordem [ou melhor, a medida de informação sobre o sistema / aprox. por.] (quanto mais próximo do vermelho, maior será a entropia). Devido à turbulência, a explosão é assimétrica.
Também ficou claro nas simulações que a turbulência leva a explosões assimétricas, nas quais a estrela é um pouco como uma ampulheta. A explosão cria pressão em uma direção e a matéria continua a cair no centro da estrela na outra, alimentando ainda mais a explosão.
As novas simulações estão dando aos pesquisadores uma melhor compreensão de como as supernovas moldaram o universo hoje. “Podemos obter a faixa certa de energias explosivas e as massas de estrelas de nêutrons deixadas para trás”, disse Burroughs. As supernovas são as principais responsáveis por abastecer o orçamento dos elementos pesados do universo, como oxigênio e ferro, e os teóricos estão começando a usar simulações que prevêem proporções específicas de elementos pesados no espaço. “Estamos começando a lidar com problemas que nunca foram imaginados como resolvidos no passado”, disse Tuguldur Sukhbold , astrofísico teórico computacional da Ohio State University.
Próxima explosão
Apesar do crescimento exponencial do poder de computação, as simulações de supernovas são realizadas com muito menos frequência do que suas observações. “Há 20 anos, encontramos cerca de 100 supernovas a cada ano”, disse Ido Berger , astrônomo da Universidade de Harvard. "Hoje, abrimos de 10.000 a 20.000 unidades anualmente." O aumento no número de observações deve-se aos novos telescópios que fazem um levantamento rápido e regular do céu noturno. Os teóricos realizam cerca de 30 simulações de computador por ano. Uma simulação, que recria alguns minutos do processo de colapso nuclear, leva vários meses. “Você verifica todos os dias e só passou um milissegundo”, disse Couch. "É como assistir o melado escorrer no frio."
A precisão das novas simulações faz os astrofísicos ansiarem pela próxima explosão, que estaria perto de nós. “Enquanto esperamos pela próxima supernova em nossa galáxia, ainda temos muito a fazer. Precisamos melhorar os modelos teóricos para entender quais características do processo podemos detectar ”, disse Irene Tamborra , astrofísica teórica da Universidade de Copenhagen. "A oportunidade não deve ser perdida, porque é um evento muito raro."
A maioria das supernovas é inflamada muito longe da Terra para que os observatórios terrestres sejam capazes de detectar seus neutrinos. As supernovas nas imediações da Via Láctea - como a SN 1987A - ocorrem em média uma vez a cada meio século....
Mas se uma supernova ocorrer, os astrônomos podem "olhar diretamente para o centro da explosão", disse Berger. Isso será possível graças à observação das ondas gravitacionais. “Diferentes grupos consideram os diferentes processos que ocorrem durante a explosão como importantes. E para todos esses processos as ondas gravitacionais e os fluxos de neutrinos parecem diferentes ”.
E embora os teóricos de hoje tenham praticamente concordado com os fatores mais importantes subjacentes às supernovas, as dificuldades ainda permanecem. Em particular, o resultado da explosão "depende muito" da estrutura do núcleo da estrela antes da explosão em si, disse Sukhbold. Pequenas diferenças aumentam, levando a resultados diferentes de colapso caótico. Portanto, a evolução da estrela, que precedeu o colapso, também deve ser cuidadosamente modelada....
Outras questões incluem o papel dos campos magnéticos fortes no núcleo rotativo de uma estrela. “É possível que haja um mecanismo híbrido de campos magnéticos e neutrinos em ação”, disse Burroughs. Também não está claro como exatamente os neutrinos mudam seu tipo - "classificação" - de um para o outro, e como isso afeta a explosão.
“Ainda há muitos ingredientes para adicionar às simulações”, disse Tamborra. - Se uma supernova explodir amanhã e coincidir com nossas previsões teóricas, todos os outros ingredientes que nos faltam hoje podem ser ignorados. Mas se isso não acontecer, precisamos descobrir o porquê. "