É um dos eventos mais intensos e violentos do espaço - uma supernova. Através do uso de sofisticadas simulações em computador, eles foram capazes de criar modelos tridimensionais que mostram os efeitos físicos - movimentos intensos e violentos que ocorrem quando a matéria estelar é atraída para dentro. É uma nova e arrojada visão da dinâmica que acontece quando uma estrela explode.
Como sabemos, estrelas que têm de oito a dez vezes a massa do Sol estão destinadas a acabar com suas vidas em uma explosão maciça, os gases soprados no espaço com uma força incrível. Esses eventos cataclísmicos estão entre os eventos mais brilhantes e poderosos do Universo e podem ofuscar uma galáxia quando ocorrem. É esse mesmo processo que cria elementos críticos para a vida como a conhecemos - e o início das estrelas de nêutrons.
Estrelas de nêutrons são um enigma para si mesmas. Esses restos estelares altamente compactos contêm até 1,5 vezes a massa do Sol, mas são comprimidos para o tamanho de uma cidade. Não é um aperto lento. Essa compressão acontece quando o núcleo estelar implode pela intensa gravidade de sua própria massa ... e leva apenas uma fração de segundo. Alguma coisa pode pará-lo? Sim. Tem um limite. O colapso cessa quando a densidade dos núcleos atômicos é excedida. É comparável a cerca de 300 milhões de toneladas compactadas em algo do tamanho de um cubo de açúcar.
O estudo de estrelas de nêutrons abre toda uma nova dimensão de perguntas que os cientistas desejam responder. Eles querem saber o que causa a ruptura estelar e como a implosão do núcleo estelar pode reverter para uma explosão. Atualmente, eles teorizam que os neutrinos podem ser um fator crítico. Essas minúsculas partículas elementares são criadas e expelidas em números monumentais durante o processo da supernova e podem muito bem atuar como elementos de aquecimento que inflamam a explosão. De acordo com a equipe de pesquisa, os neutrinos podem transmitir energia ao gás estelar, causando pressão. A partir daí, uma onda de choque é criada e, à medida que se acelera, pode atrapalhar a estrela e causar uma supernova.
Por mais plausível que possa parecer, os astrônomos não têm certeza se essa teoria pode funcionar ou não. Como os processos de uma supernova não podem ser recriados em condições de laboratório e não podemos ver diretamente o interior de uma supernova, basta contar com simulações em computador. No momento, os pesquisadores são capazes de recriar um evento de supernova com equações matemáticas complexas que replicam os movimentos do gás estelar e as propriedades físicas que ocorrem no momento crítico do colapso do núcleo. Esses tipos de computação requerem o uso de alguns dos supercomputadores mais poderosos do mundo, mas também foi possível usar modelos mais simplificados para obter os mesmos resultados. "Se, por exemplo, os efeitos cruciais dos neutrinos foram incluídos em algum tratamento detalhado, as simulações em computador só poderiam ser realizadas em duas dimensões, o que significa que se supunha que a estrela nos modelos tivesse uma simetria rotacional artificial em torno de um eixo". diz a equipe de pesquisa.
Com o apoio do Rechenzentrum Garching (RZG), os cientistas foram capazes de criar um programa de computador singularmente eficiente e rápido. Eles também receberam acesso aos supercomputadores mais poderosos e um prêmio por tempo de computador de quase 150 milhões de horas de processador, que é o maior contingente até agora concedido pela iniciativa "Parceria para computação avançada na Europa (PRACE)" da União Européia, a Uma equipe de pesquisadores do Instituto Max Planck de Astrofísica (MPA), em Garching, agora podia simular pela primeira vez os processos de estrelas em colapso em três dimensões e com uma descrição sofisticada de toda a física relevante.
“Para esse propósito, usamos quase 16.000 núcleos de processador em modo paralelo, mas ainda assim um único modelo levou cerca de 4,5 meses de computação contínua”, diz o estudante de doutorado Florian Hanke, que realizou as simulações. Somente dois centros de computação na Europa conseguiram fornecer máquinas suficientemente potentes por períodos tão longos, a saber, o CURIE no Très Grand Centre de cálculo (TGCC) do CEA, perto de Paris, e o SuperMUC no Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) em Munique / Garching.
Dados vários milhares de bilhões de bytes de dados de simulação, levou algum tempo para que os pesquisadores pudessem entender completamente as implicações de suas execuções de modelo. No entanto, o que eles viram os exaltou e os surpreendeu. O gás estelar funcionava de maneira muito semelhante à convecção comum, com os neutrinos dirigindo o processo de aquecimento. E isso não é tudo ... Eles também encontraram fortes movimentos sloshing que transitoriamente mudam para movimentos rotacionais. Esse comportamento foi observado anteriormente e chamado Instabilidade de choque de acréscimo permanente. De acordo com o comunicado à imprensa, “este termo expressa o fato de que a esfericidade inicial da onda de choque da supernova é espontaneamente quebrada, porque o choque desenvolve assimetrias pulsantes de grande amplitude pelo crescimento oscilatório de perturbações aleatórias de sementes inicialmente pequenas. Até agora, porém, isso foi encontrado apenas em simulações de modelos simplificadas e incompletas. ”
"Meu colega Thierry Foglizzo, do Serviço de Astrofísica da CEA-Saclay, perto de Paris, obteve uma compreensão detalhada das condições de crescimento dessa instabilidade", explica Hans-Thomas Janka, chefe da equipe de pesquisa. "Ele construiu um experimento, no qual um salto hidráulico em um fluxo de água circular exibe assimetrias pulsacionais em estreita analogia com a frente de choque na matéria em colapso do núcleo da supernova". Conhecido como Análogo de Águas Rasas da Instabilidade de Choque, o processo dinâmico pode ser demonstrado de maneiras menos tecnológicas, eliminando os efeitos importantes do aquecimento de neutrinos - uma razão que leva muitos astrofísicos a duvidar que estrelas em colapso possam passar por esse tipo de instabilidade. No entanto, os novos modelos de computador são capazes de demonstrar que a Instabilidade de Choque de Acréscimo Permanente é um fator crítico.
“Ele não apenas governa os movimentos de massa no núcleo da supernova, mas também impõe assinaturas características à emissão de neutrinos e ondas gravitacionais, que serão mensuráveis para uma futura supernova galáctica. Além disso, pode levar a fortes assimetrias da explosão estelar, em que a recém-formada estrela de nêutrons receberá um grande chute e giro ”, descreve o membro da equipe Bernhard Müller as consequências mais significativas de tais processos dinâmicos no núcleo da supernova.
Terminamos a pesquisa de supernova? Entendemos tudo o que há para saber sobre estrelas de nêutrons? Dificilmente. Atualmente, o cientista está pronto para continuar suas investigações sobre os efeitos mensuráveis conectados ao SASI e refinar suas previsões de sinais associados. No futuro, eles ampliarão sua compreensão realizando simulações cada vez mais longas para revelar como a instabilidade e o aquecimento de neutrinos reagem juntos. Talvez um dia eles consigam mostrar que esse relacionamento é o gatilho que desencadeia uma explosão de supernova e concebe uma estrela de nêutrons.
Fonte da matéria original: Comunicado de imprensa do Instituto Max Planck de Astrofísica.
