È uno degli eventi più intensi e violenti nello spazio: una supernova. Attraverso l'uso di sofisticate simulazioni al computer, sono stati in grado di creare modelli tridimensionali che mostrano gli effetti fisici - movimenti intensi e violenti che si verificano quando la materia stellare viene attratta verso l'interno. È uno sguardo audace e nuovo sulle dinamiche che accadono quando una stella esplode.
Come sappiamo, le stelle che hanno da otto a dieci volte la massa del Sole sono destinate a porre fine alle loro vite in una grande esplosione, i gas soffiati nello spazio con una forza incredibile. Questi eventi cataclismici sono tra gli eventi più luminosi e potenti dell'Universo e possono eclissare una galassia quando si verificano. È proprio questo processo che crea elementi fondamentali per la vita come la conosciamo - e l'inizio delle stelle di neutroni.
Le stelle di neutroni sono un enigma per se stesse. Questi resti stellari altamente compatti contengono fino a 1,5 volte la massa del Sole, ma sono compressi alle dimensioni di una città. Non è una compressione lenta. Questa compressione si verifica quando il nucleo stellare implode dall'intensa gravità della propria massa ... e richiede solo una frazione di secondo. Qualcosa può fermarlo? Sì. Ha un limite. Il collasso cessa quando viene superata la densità dei nuclei atomici. È paragonabile a circa 300 milioni di tonnellate compresse in qualcosa delle dimensioni di un cubetto di zucchero.
Lo studio delle stelle di neutroni apre una nuova dimensione di domande alle quali gli scienziati sono desiderosi di rispondere. Vogliono sapere cosa provoca l'interruzione stellare e come può l'implosione del nucleo stellare tornare a un'esplosione. Allo stato attuale, teorizzano che i neutrini possano essere un fattore critico. Queste minuscole particelle elementali vengono create ed espulse in numero monumentale durante il processo della supernova e possono benissimo fungere da elementi riscaldanti che accendono l'esplosione. Secondo il team di ricerca, i neutrini potrebbero impartire energia nel gas stellare, provocando un aumento della pressione. Da lì, viene creata un'onda d'urto e mentre accelera, potrebbe interrompere la stella e causare una supernova.
Per quanto plausibile possa sembrare, gli astronomi non sono sicuri che questa teoria possa funzionare o meno. Poiché i processi di una supernova non possono essere ricreati in condizioni di laboratorio e non siamo in grado di vedere direttamente all'interno di una supernova, dovremo solo fare affidamento su simulazioni al computer. Al momento, i ricercatori sono in grado di ricreare un evento di supernova con complesse equazioni matematiche che replicano i movimenti del gas stellare e le proprietà fisiche che si verificano nel momento critico del collasso del nucleo. Questi tipi di calcoli richiedono l'uso di alcuni dei supercomputer più potenti al mondo, ma è stato anche possibile utilizzare modelli più semplificati per ottenere gli stessi risultati. "Se, ad esempio, gli effetti cruciali dei neutrini fossero inclusi in un trattamento dettagliato, le simulazioni al computer potevano essere eseguite solo in due dimensioni, il che significa che si presumeva che la stella nei modelli avesse una simmetria rotazionale artificiale attorno ad un asse." dice il gruppo di ricerca.
Con il supporto del Rechenzentrum Garching (RZG), gli scienziati sono stati in grado di creare in un programma per computer singolarmente efficiente e veloce. Hanno anche avuto accesso ai più potenti supercomputer e un premio per il tempo del computer di quasi 150 milioni di ore di processore, che è il più grande contingente finora concesso dall'iniziativa "Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE)" dell'Unione Europea, il un team di ricercatori del Max Planck Institute for Astrophysics (MPA) di Garching potrebbe ora per la prima volta simulare i processi di caduta delle stelle in tre dimensioni e con una descrizione sofisticata di tutta la fisica pertinente.
"A tale scopo abbiamo utilizzato quasi 16.000 core di processori in modalità parallela, ma una singola esecuzione del modello ha richiesto circa 4,5 mesi di elaborazione continua", afferma Florian Hanke, studente di dottorato, che ha eseguito le simulazioni. Solo due centri di calcolo in Europa sono stati in grado di fornire macchine sufficientemente potenti per così lunghi periodi di tempo, vale a dire CURIE al Grand Centre de calcul (TGCC) del CEA vicino a Parigi e SuperMUC al Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) di Monaco / Garching.
Dati diverse migliaia di byte di dati di simulazione, ci è voluto del tempo prima che i ricercatori potessero comprendere appieno le implicazioni dei loro modelli. Tuttavia, ciò che videro sia euforico che li sorprese. Il gas stellare ha funzionato in modo molto simile alla convezione ordinaria, con i neutrini che guidano il processo di riscaldamento. E non è tutto ... Hanno anche trovato forti moti sloshing che cambiano temporaneamente in moti rotazionali. Questo comportamento è stato osservato prima e denominato instabilità di shock di accrescimento permanente. Secondo il comunicato stampa, “Questo termine esprime il fatto che la sfericità iniziale dell'onda d'urto della supernova si rompe spontaneamente, perché lo shock sviluppa asimmetrie pulsanti di grande ampiezza e pulsanti a causa della crescita oscillatoria di perturbazioni inizialmente piccole e casuali del seme. Finora, tuttavia, questo era stato trovato solo in simulazioni di modelli semplificate e incomplete. "
"Il mio collega Thierry Foglizzo al Service d 'Astrophysique des CEA-Saclay vicino a Parigi ha ottenuto una comprensione dettagliata delle condizioni di crescita di questa instabilità", spiega Hans-Thomas Janka, capo del gruppo di ricerca. "Ha costruito un esperimento, in cui un salto idraulico in un flusso d'acqua circolare mostra asimmetrie pulsazionali in stretta analogia con il fronte d'urto nella materia collassante del nucleo della supernova." Conosciuto come analogo delle acque poco profonde dell'instabilità da shock, il processo dinamico può essere dimostrato in modi meno tecnicizzati eliminando gli importanti effetti del riscaldamento dei neutrini - una ragione che induce molti astrofisici a dubitare che le stelle che collassano possano attraversare questo tipo di instabilità. Tuttavia, i nuovi modelli di computer sono in grado di dimostrare che l'instabilità degli shock di accrescimento permanente è un fattore critico.
"Non governa solo i movimenti di massa nel nucleo della supernova, ma impone anche segni caratteristici sull'emissione di neutrini e onde gravitazionali, che saranno misurabili per una futura supernova galattica. Inoltre, può portare a forti asimmetrie dell'esplosione stellare, nel corso della quale la stella di neutroni di nuova formazione riceverà un grande calcio e rotazione ”, descrive il membro del team Bernhard Müller le conseguenze più significative di tali processi dinamici nel nucleo della supernova.
Abbiamo finito con la ricerca sulle supernova? Comprendiamo tutto ciò che c'è da sapere sulle stelle di neutroni? Non appena. Al momento, lo scienziato è pronto ad approfondire le proprie indagini sugli effetti misurabili collegati a SASI e perfezionare le loro previsioni dei segnali associati. In futuro approfondiranno la loro comprensione eseguendo simulazioni sempre più lunghe per rivelare come l'instabilità e il riscaldamento del neutrino reagiscono insieme. Forse un giorno saranno in grado di mostrare che questa relazione è il fattore scatenante che accende un'esplosione di una supernova e concepisce una stella di neutroni.
Fonte originale della storia: Comunicato stampa dell'Istituto Max Planck per l'astrofisica.
