Las simulaciones de supernovas en 3D revelan por qué explotan
La materia turbulenta gira alrededor del centro de la estrella que colapsa. La turbulencia da un impulso adicional a la onda de choque de la supernova (azul), tras lo cual el núcleo denso de la estrella ubicada en el centro forma una estrella de neutrones
En 1987, una estrella gigante explotó cerca de nuestra Vía Láctea. Fue la supernova más brillante y cercana desde la invención del telescopio (hace casi 400 años), y casi todos los observatorios giraron en esta dirección para observar más de cerca el evento. El resultado más interesante de la observación fue que observatorios especiales ubicados a gran profundidad pudieron detectar partículas subatómicas tímidas, neutrinos, cuya corriente se precipitó desde el centro de la explosión.
La primera sugerencia de que estas partículas son la fuerza impulsora de las explosiones de supernovas se hizo en 1966. Encontrar estas partículas se ha convertido en una fuente de consuelo para los teóricos que intentan averiguar cómo funcionan las explosiones. Sin embargo, en las décadas que siguieron, los astrofísicos tropezaron constantemente con una falta aparentemente fatal de modelos basados en neutrinos.
Se sabe que los neutrinos son indiferentes, y no está claro cómo exactamente los neutrinos transfieren energía a la materia estelar ordinaria en condiciones extremas de implosión. En las simulaciones del movimiento y la interacción de partículas en una computadora, los teóricos siempre han trabajado para que una onda explosiva de supernova se detenga y vuelva a caer sobre la estrella. Debido a todas estas fallas, “la idea está arraigada de que nuestra teoría principal de las explosiones de supernovas no funciona”, dijo Sean Couch , astrofísico computacional de la Universidad Estatal de Michigan.
Por supuesto, los procesos específicos que tienen lugar en las profundidades de la supernova durante la explosión siempre han sido un misterio. Es un caldero de condiciones extremas, una sopa turbulenta de materia transformadora. Las partículas y fuerzas que solemos ignorar en nuestra vida diaria se vuelven críticas. Para empeorar las cosas, el interior de la explosión está en gran parte oculto a la vista por nubes de gas caliente. Comprender los detalles de cómo funcionan las supernovas "ha sido un problema central sin resolver para la astrofísica", dijo Adam Burroughs , astrofísico de la Universidad de Princeton que ha estudiado las supernovas durante más de 35 años.
En los últimos años, sin embargo, los teóricos han adquirido una comprensión más profunda de los procesos sorprendentemente complejos de las supernovas. Las simulaciones explosivas se han convertido en la norma, no la excepción, como escribió Burroughs en la revista Nature en enero de 2021. Los programas de computadora de los equipos de investigación rivales coinciden en cómo las ondas de choque evolucionan en una explosión de supernova. Las simulaciones han llegado incluso a incluir detalles de la extremadamente compleja teoría de la relatividad general de Einstein. El papel de los neutrinos finalmente comienza a entenderse.
“Este es un momento decisivo”, dijo Couch. Los físicos han descubierto que sin turbulencia, las estrellas que colapsan no podrían formar supernovas en absoluto.
Danza del caos
Durante la mayor parte de la vida de una estrella, la atracción gravitacional que actúa hacia el centro está en equilibrio inestable con la presión hacia afuera de la radiación de las reacciones nucleares que ocurren en el núcleo de la estrella. Cuando una estrella se queda sin combustible, gana la gravedad. La estrella colapsa a una velocidad de 150.000 km / h, lo que eleva abruptamente la temperatura a 100.000 millones de ° C y derrite el núcleo de la estrella, convirtiéndolo en una bola sólida de neutrones.
Las capas externas de la estrella continúan cayendo hacia adentro, sin embargo, cuando chocan con este núcleo de neutrones incompresible, rebotan en él, creando una onda de choque. Para que una onda de choque se convierta en una explosión, debe acelerarse hacia afuera con suficiente energía para superar la atracción gravitacional de la estrella. Además, la onda de choque tiene que luchar contra las capas externas de la estrella que caen hacia adentro, sobre el núcleo.
Hasta hace poco, se sabía poco sobre las fuerzas que impulsaban la onda expansiva. Durante décadas, las computadoras no fueron lo suficientemente potentes para funcionar solo con modelos simplificados de un núcleo colapsando. Las estrellas se consideraron esferas ideales y la onda de choque se extendió desde el centro simétricamente en todas las direcciones. Pero en estos modelos unidimensionales, las ondas expansivas disminuyen a medida que se mueven, después de lo cual disminuyen.
Solo en los últimos años, con el aumento del poder de las supercomputadoras, los teóricos han tenido suficiente poder informático para construir modelos suficientemente complejos de estrellas masivas capaces de producir explosiones. Los mejores modelos hasta la fecha tienen en cuenta las interacciones entre los neutrinos y la materia, el movimiento desordenado de los fluidos y los avances recientes en la ciencia desde la física nuclear hasta la evolución estelar. Además, los teóricos pueden ejecutar varias simulaciones al año , modificar la configuración del modelo y experimentar diferentes condiciones iniciales.
Uno de los puntos de inflexión ocurrió en 2015 cuando Couch y sus colegas lanzaron un modelo informático en 3D de los últimos minutos.colapso de una estrella masiva. Aunque la simulación solo cubrió 160 segundos de la vida de la estrella, reveló claramente el papel de una fuerza subestimada para ayudar a transformar las ondas expansivas en desaceleración en explosiones en toda regla.
En el útero del monstruo, las partículas giraban y se lanzaban caóticamente. “Es como agua hirviendo en una cacerola. Un líquido está girando en una estrella, moviéndose a una velocidad de miles de kilómetros por segundo ”, dijo Couch.
La turbulencia crea una presión adicional en la onda expansiva, alejándola del centro de la estrella. Y cuanto más lejos del centro, más débil es la atracción gravitacional y menos a menudo la densidad de la materia que cae hacia el centro, capaz de pacificar la onda expansiva. Además, la materia turbulenta que se mueve al amparo de una onda de choque tiene más tiempo para absorber neutrinos. Luego, esta energía del neutrino calienta la materia y acelera la onda expansiva hasta la explosión de la estrella.
Los investigadores han subestimado la importancia de la turbulencia durante muchos años, ya que solo se muestra completamente en simulaciones 3D. “Nos tomó décadas de trabajo hacer lo que la naturaleza puede hacer sin dificultad. Pasamos gradualmente de una dimensión a dos y luego a tres ”, dijo Burroughs.
En la primera mitad de segundo después del colapso del núcleo de la estrella, la materia arremolinada la rodea. En esta simulación, los colores de la materia se asignan en función de la entropía, la medida del desorden [o más bien, la medida de la información sobre el sistema / aprox. per.] (cuanto más cerca del rojo, mayor es la entropía). Debido a la turbulencia, la explosión es asimétrica.
También quedó claro a partir de las simulaciones que la turbulencia conduce a explosiones asimétricas, en las que la estrella se parece un poco a un reloj de arena. La explosión crea presión en una dirección y la materia continúa cayendo sobre el núcleo de la estrella en la otra, lo que alimenta aún más la explosión.
Las nuevas simulaciones brindan a los investigadores la oportunidad de comprender mejor exactamente cómo las supernovas dieron forma al universo en la actualidad. "Podemos obtener el rango correcto de energías explosivas y las masas de estrellas de neutrones que quedan", dijo Burroughs. Las supernovas son las principales responsables de alimentar el presupuesto de los elementos pesados del universo como el oxígeno y el hierro, y los teóricos están comenzando a utilizar simulaciones que predicen proporciones específicas de elementos pesados en el espacio. "Estamos empezando a abordar problemas que nunca se imaginaron que se resolverían en el pasado", dijo Tuguldur Sukhbold , astrofísico teórico computacional de la Universidad Estatal de Ohio.
Siguiente explosión
A pesar del crecimiento exponencial de la potencia informática, las simulaciones de supernovas se llevan a cabo con mucha menos frecuencia que sus observaciones. “Hace 20 años, encontramos alrededor de 100 supernovas cada año”, dijo Ido Berger , astrónomo de la Universidad de Harvard. "Hoy, abrimos de 10,000 a 20,000 unidades al año". El aumento en el número de observaciones se debe a los nuevos telescopios que examinan rápida y regularmente el cielo nocturno. Los teóricos realizan unas 30 simulaciones por ordenador al año. Una simulación, que recrea unos minutos del proceso de colapso nuclear, lleva varios meses. "Verificas todos los días y solo ha pasado un milisegundo", dijo Couch. "Es como ver la melaza fluir en el frío".
La precisión de las nuevas simulaciones hace que los astrofísicos esperen con ansias la próxima explosión, que estaría cerca de nosotros. “Mientras esperamos la próxima supernova en nuestra galaxia, todavía tenemos mucho por hacer. Necesitamos mejorar los modelos teóricos para comprender qué características del proceso podemos detectar ”, dijo Irene Tamborra , astrofísica teórica de la Universidad de Copenhague. "No se debe perder la oportunidad, porque es un evento muy raro".
La mayoría de las supernovas se encienden demasiado lejos de la Tierra para que los observatorios terrestres puedan detectar sus neutrinos. Las supernovas en las inmediaciones de la Vía Láctea, como SN 1987A , ocurren en promedio una vez cada medio siglo....
Pero si ocurre una supernova, los astrónomos pueden "mirar directamente al centro de la explosión", dijo Berger. Esto será posible gracias a la observación de ondas gravitacionales. “Diferentes grupos consideran que los diferentes procesos que tienen lugar durante la explosión son importantes. Y para todos estos procesos, las ondas gravitacionales y los flujos de neutrinos se ven diferentes ”.
Y aunque hoy en día los teóricos prácticamente han coincidido en los factores más importantes que subyacen a las supernovas, aún persisten dificultades. En particular, el resultado de la explosión "depende en gran medida" de la estructura del núcleo de la estrella antes de la explosión en sí, dijo Sukhbold. Las pequeñas diferencias aumentan, lo que lleva a diferentes resultados de colapso caótico. Por lo tanto, la evolución de la estrella, que precedió al colapso, también debe modelarse cuidadosamente....
Otras preguntas incluyen el papel de los fuertes campos magnéticos que surgen en el núcleo giratorio de una estrella. "Es posible que pueda haber un mecanismo híbrido de campos magnéticos y neutrinos en funcionamiento", dijo Burroughs. Tampoco está claro cómo exactamente los neutrinos cambian su tipo - "tipo" - de uno a otro, y cómo esto afecta la explosión.
“Aún quedan muchos ingredientes por agregar a las simulaciones”, dijo Tamborra. - Si una supernova explota mañana y coincide con nuestras predicciones teóricas, entonces todos los demás ingredientes que nos faltan hoy pueden ser ignorados. Pero si eso no sucede, tendremos que averiguar por qué ".