La fase nebulosa della supernova super luminosa alimentata da magnetar dalla nostra simulazione 3D. Al momento, la supernova espulsa si è espansa a una dimensione simile al sistema solare. La miscelazione su larga scala appare nella regione esterna e interna del materiale espulso. Le curve di luce e gli spettri risultanti sono sensibili alla miscelazione che dipende dalla struttura stellare e dalle proprietà fisiche della magnetar. Attestazione:Ken Chen
Per la maggior parte del XX secolo, gli astronomi hanno perlustrato i cieli alla ricerca di supernovae - le morti esplosive di stelle massicce - e dei loro resti alla ricerca di indizi sul progenitore, i meccanismi che l'hanno fatta esplodere, e gli elementi pesanti creati nel processo. Infatti, questi eventi creano la maggior parte degli elementi cosmici che vanno a formare nuove stelle, galassie, e vita.
Perché nessuno può effettivamente vedere una supernova da vicino, i ricercatori si affidano a simulazioni di supercomputer per fornire loro informazioni sulla fisica che accende e guida l'evento. Ora per la prima volta in assoluto, un team internazionale di astrofisici ha simulato la fisica tridimensionale (3D) delle supernove superluminose, che sono circa cento volte più luminose delle tipiche supernove. Hanno raggiunto questo traguardo utilizzando il codice CASTRO del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e i supercomputer del National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC). Un articolo che descrive il loro lavoro è stato pubblicato in Giornale Astrofisico .
Gli astronomi hanno scoperto che questi eventi superluminosi si verificano quando una magnetar, il cadavere in rapida rotazione di una stella massiccia il cui campo magnetico è trilioni di volte più forte di quello terrestre, si trova al centro di una giovane supernova. La radiazione rilasciata dalla magnetar è ciò che amplifica la luminosità della supernova. Ma per capire come ciò avvenga, i ricercatori hanno bisogno di simulazioni multidimensionali.
"Per fare simulazioni 3D di supernove superluminose alimentate da magnetar, hai bisogno di molta potenza di supercalcolo e del codice giusto, uno che cattura la microfisica pertinente, " ha detto Ken Chen, autore principale dell'articolo e astrofisico presso l'Istituto di Astronomia e Astrofisica dell'Academia Sinica (ASIAA), Taiwan.
Il nucleo turbolento di una bolla magnetar all'interno delle supernove superluminose. La codifica a colori mostra le densità. La magnetar si trova al centro di questa immagine e da essa vengono emessi due flussi bipolari. La dimensione fisica del deflusso è di circa 10, 000 km. Attestazione:Ken Chen
Aggiunge che la simulazione numerica richiesta per catturare le instabilità fluide di questi eventi superluminosi in 3-D è molto complessa e richiede molta potenza di calcolo, ecco perché nessuno l'ha fatto prima.
Le instabilità dei fluidi si verificano intorno a noi. Ad esempio, se hai un bicchiere d'acqua e ci metti sopra un po' di tintura, la tensione superficiale dell'acqua diventerà instabile e il colorante più pesante affonderà sul fondo. Poiché due fluidi si muovono l'uno accanto all'altro, la fisica di questa instabilità non può essere catturata in una dimensione. Hai bisogno di una seconda o terza dimensione, perpendicolare all'altezza per vedere tutta l'instabilità. A scala cosmica, le instabilità dei fluidi che portano alla turbolenza e il mescolamento giocano un ruolo critico nella formazione di oggetti cosmici come le galassie, stelle, e supernove.
"Devi catturare la fisica su una gamma di scale, da molto grande a molto piccolo, in altissima risoluzione per modellare accuratamente oggetti astrofisici come le supernove superluminose. Ciò rappresenta una sfida tecnica per gli astrofisici. Siamo stati in grado di superare questo problema con un nuovo schema numerico e diversi milioni di ore di supercalcolo al NERSC, " disse Chen.
Per questo lavoro, i ricercatori hanno modellato un residuo di supernova largo circa 15 miliardi di chilometri con una densa magnetar larga 10 chilometri all'interno. In questo sistema, le simulazioni mostrano che nel materiale residuo si formano instabilità idrodinamiche su due scale. Un'instabilità è nella bolla calda energizzata dalla magnetar e l'altra si verifica quando lo shock in avanti della giovane supernova si scontra con il gas ambientale.
Nucleo turbolento della bolla magnetar all'interno delle supernove superluminose. La codifica a colori mostra le densità. La magnetar si trova al centro di questa immagine. La forte turbolenza è causata dalla radiazione proveniente dal magnetar centrale. Attestazione:Ken Chen
"Entrambe queste instabilità dei fluidi causano più mescolamenti di quanto si verificherebbe normalmente in un tipico evento di supernova, che ha conseguenze significative per le curve di luce e gli spettri delle supernove superluminose. Niente di tutto questo sarebbe stato catturato in un modello unidimensionale, " disse Chen.
Hanno anche scoperto che la magnetar può accelerare gli elementi di calcio e silicio che sono stati espulsi dalla giovane supernova a velocità di 12, 000 chilometri al secondo, che spiegano le loro linee di emissione allargate nelle osservazioni spettrali. E che anche l'energia delle magnetar deboli può accelerare gli elementi del gruppo del ferro, che si trovano in profondità nel resto di supernova, a 5, 000 a 7, 000 chilometri al secondo, il che spiega perché il ferro viene osservato all'inizio degli eventi di supernova di collasso del nucleo come SN 1987A. Questo è stato un mistero di lunga data in astrofisica.
"Siamo stati i primi a modellare accuratamente un sistema di supernova superluminoso in 3-D perché siamo stati fortunati ad avere accesso ai supercomputer NERSC, " ha detto Chen. "Questa struttura è un luogo estremamente conveniente per fare scienza all'avanguardia".
