La fase de nebulosa de la supernova super luminosa impulsada por magnetar de nuestra simulación 3D. En este momento, la eyección de supernova se ha expandido a un tamaño similar al del sistema solar. Aparece una mezcla a gran escala en la región exterior e interior de la eyección. Las curvas de luz y los espectros resultantes son sensibles a la mezcla que depende de la estructura estelar y las propiedades físicas del magnetar. Crédito:Ken Chen
Durante la mayor parte del siglo XX, Los astrónomos han rastreado los cielos en busca de supernovas (la muerte explosiva de estrellas masivas) y sus remanentes en busca de pistas sobre el progenitor, los mecanismos que lo hicieron explotar, y los elementos pesados creados en el proceso. De hecho, Estos eventos crean la mayoría de los elementos cósmicos que pasan a formar nuevas estrellas, galaxias, y vida.
Porque nadie puede ver una supernova de cerca, los investigadores confían en las simulaciones de supercomputadoras para obtener información sobre la física que enciende e impulsa el evento. Ahora, por primera vez en la historia un equipo internacional de astrofísicos simuló la física tridimensional (3-D) de las supernovas superluminosas, que son unas cien veces más luminosas que las supernovas típicas. Lograron este hito utilizando el código CASTRO del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y supercomputadoras del Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC). Un artículo que describe su trabajo fue publicado en Diario astrofísico .
Los astrónomos han descubierto que estos eventos superluminosos ocurren cuando una magnetar —el cadáver que gira rápidamente de una estrella masiva cuyo campo magnético es billones de veces más fuerte que el de la Tierra— está en el centro de una supernova joven. La radiación liberada por la magnetar es lo que amplifica la luminosidad de la supernova. Pero para entender cómo sucede esto, los investigadores necesitan simulaciones multidimensionales.
"Para hacer simulaciones en 3-D de supernovas superluminosas impulsadas por magnetar, necesita mucha potencia de supercomputación y el código correcto, uno que capture la microfísica relevante, "dijo Ken Chen, autor principal del artículo y astrofísico del Instituto de Astronomía y Astrofísica Academia Sínica (ASIAA), Taiwán.
El núcleo turbulento de una burbuja magnetar dentro de las supernovas superluminosas. La codificación de colores muestra densidades. El magnetar se encuentra en el centro de esta imagen y de él se emiten dos salidas bipolares. El tamaño físico del flujo de salida es de aproximadamente 10, 000 km. Crédito:Ken Chen
Agrega que la simulación numérica requerida para capturar las inestabilidades de fluidos de estos eventos superluminosos en 3-D es muy compleja y requiere mucha potencia de cálculo, por eso nadie lo ha hecho antes.
Las inestabilidades de los fluidos ocurren a nuestro alrededor. Por ejemplo, si tiene un vaso de agua y pone un poco de tinte encima, la tensión superficial del agua se volverá inestable y el tinte más pesado se hundirá hasta el fondo. Debido a que dos fluidos se mueven uno al lado del otro, la física de esta inestabilidad no se puede capturar en una dimensión. Necesitas una segunda o tercera dimensión, perpendicular a la altura para ver toda la inestabilidad. En la escala cósmica, Las inestabilidades de los fluidos que provocan turbulencias y mezclas juegan un papel fundamental en la formación de objetos cósmicos como las galaxias. estrellas, y supernovas.
"Necesitas capturar la física en una variedad de escalas, de muy grande a muy pequeño, en resolución extremadamente alta para modelar con precisión objetos astrofísicos como supernovas superluminosas. Esto plantea un desafío técnico para los astrofísicos. Pudimos superar este problema con un nuevo esquema numérico y varios millones de horas de supercomputación en NERSC, "dijo Chen.
Por este trabajo, los investigadores modelaron un remanente de supernova de aproximadamente 15 mil millones de kilómetros de ancho con una densa magnetar de 10 kilómetros de ancho en su interior. En este sistema, las simulaciones muestran que se forman inestabilidades hidrodinámicas en dos escalas en el material remanente. Una inestabilidad está en la burbuja caliente energizada por la magnetar y la otra ocurre cuando el choque frontal de la joven supernova choca contra el gas ambiental.
Núcleo turbulento de la burbuja magnetar dentro de las supernovas superluminosas. La codificación de colores muestra las densidades. El magnetar se encuentra en el centro de esta imagen. Una fuerte turbulencia es causada por la radiación del magnetar central. Crédito:Ken Chen
"Ambas inestabilidades de fluidos causan más mezcla de la que normalmente ocurriría en un evento típico de supernova, lo que tiene importantes consecuencias para las curvas de luz y los espectros de las supernovas superluminosas. Nada de esto habría sido capturado en un modelo unidimensional, "dijo Chen.
También encontraron que la magnetar puede acelerar los elementos de calcio y silicio que fueron expulsados de la joven supernova a velocidades de 12, 000 kilómetros por segundo, que explican sus líneas de emisión ampliadas en observaciones espectrales. Y que incluso la energía de magnetares débiles puede acelerar elementos del grupo del hierro, que se encuentran en lo profundo del remanente de supernova, a 5, 000 a 7, 000 kilómetros por segundo, lo que explica por qué el hierro se observa temprano en eventos de supernovas de colapso del núcleo como SN 1987A. Este ha sido un misterio de larga data en astrofísica.
"Fuimos los primeros en modelar con precisión un sistema de supernova superluminoso en 3-D porque tuvimos la suerte de tener acceso a supercomputadoras NERSC, ", dijo Chen." Esta instalación es un lugar extremadamente conveniente para hacer ciencia de vanguardia ".
