Gli avvistamenti di una rara razza di supernovae superluminose - esplosioni stellari che brillano da 10 a 100 volte più luminose del normale - lasciano perplessi gli astronomi. Individuato per la prima volta solo nell'ultimo decennio, gli scienziati sono confusi dalla straordinaria luminosità di questi eventi e dai loro meccanismi di esplosione.

Per comprendere meglio le condizioni fisiche che creano supernova superluminose, gli astrofisici stanno eseguendo simulazioni bidimensionali (2D) di questi eventi utilizzando supercomputer presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Dipartimento dell'Energia e il codice CASTRO sviluppato dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

"Questa è la prima volta che qualcuno ha simulato supernovae superluminose in 2D; studi precedenti hanno modellato questi eventi solo in 1D, "dice Ken Chen, astrofisico dell'Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone. "Modellando la stella in 2D possiamo acquisire informazioni dettagliate sull'instabilità dei fluidi e sulla miscelazione che non si ottengono nelle simulazioni 1D. Questi dettagli sono importanti per rappresentare accuratamente i meccanismi che rendono l'evento superluminoso e spiegare le loro corrispondenti firme osservative come come curve di luce e spettri."

Chen è l'autore principale di an Giornale Astrofisico articolo pubblicato nel dicembre 2016. Nota che una delle principali teorie in astronomia postula che le supernove superluminose siano alimentate da stelle di neutroni altamente magnetizzate, chiamate magnetar.

Il modo in cui una stella vive e muore dipende dalla sua massa:più una stella è massiccia, più gravità esercita. Tutte le stelle iniziano la loro vita fondendo l'idrogeno in elio; l'energia liberata da questo processo sostiene la stella contro il peso schiacciante della sua gravità. Se una stella è particolarmente massiccia continuerà a fondere l'elio in elementi più pesanti come ossigeno e carbonio, e così via, finché il suo nucleo si trasforma in nichel e ferro. A questo punto la fusione non rilascia più energia e la pressione di degenerazione elettronica entra in gioco e sostiene la stella contro il collasso gravitazionale. Quando il nucleo della stella supera la sua massa Chandrasekhar, circa 1,5 masse solari, la degenerazione elettronica non supporta più la stella. A questo punto, il nucleo crolla, producendo neutrini che fanno esplodere la stella e creano una supernova.

Questo collasso del nucleo di ferro avviene con una forza così estrema che rompe gli atomi di nichel e ferro, lasciando dietro di sé un caotico stufato di particelle cariche. In questo ambiente frenetico, gli elettroni con carica negativa vengono spinti in protoni con carica positiva per creare neutroni neutri. Poiché i neutroni ora costituiscono la maggior parte di questo nucleo, si chiama stella di neutroni. Una magnetar è essenzialmente un tipo di stella di neutroni con un campo magnetico estremamente potente.

Oltre ad essere follemente denso (una quantità di materiale delle dimensioni di un cubo di zucchero proveniente da una stella di neutroni peserebbe più di 1 miliardo di tonnellate), ruota anche fino a poche centinaia di volte al secondo. La combinazione di questa rapida rotazione, la densità e la fisica complicata nel nucleo creano alcuni campi magnetici estremi.

Il campo magnetico può estrarre l'energia rotazionale di una stella di neutroni e trasformare questa energia in radiazione energetica. Alcuni ricercatori ritengono che questa radiazione possa alimentare una supernova superluminosa. Sono proprio queste le condizioni che Chen e i suoi colleghi stanno cercando di capire con le loro simulazioni.

"Eseguendo una simulazione 2D più realistica di supernove superluminose alimentate da magnetar, speriamo di ottenere una comprensione più quantitativa delle sue proprietà, "dice Chen. "Finora, gli astronomi hanno individuato meno di 10 di questi eventi; man mano che ne troviamo di più, saremo in grado di vedere se hanno proprietà coerenti. Se lo fanno e capiamo perché, potremo usarle come candele standard per misurare la distanza nell'Universo."

Nota anche che poiché stelle così massicce possono facilmente formarsi nel cosmo primordiale, potrebbero fornire alcune intuizioni sulle condizioni del lontano Universo.

"Per fare simulazioni multidimensionali di supernovae superluminose sono necessari supercomputer (una grande quantità di potenza di calcolo) e il codice giusto (compresa la microfisica pertinente). Propone una sfida numerica per tali simulazioni, quindi questo evento non è mai stato modellato in 2D prima, " dice Chen. "Siamo stati i primi a farlo perché siamo stati fortunati ad avere accesso alle risorse NERSC e al codice CASTRO".