Comprendere l'esplosione termonucleare delle supernove di tipo Ia - esplosioni stellari potenti e luminose - è possibile solo attraverso modelli teorici, che in precedenza non erano in grado di spiegare il meccanismo che ha fatto esplodere l'esplosione.

Uno dei pezzi chiave di questa esplosione, presente praticamente in tutti i modelli, è la formazione di un'onda di reazione supersonica chiamata detonazione, che può viaggiare più veloce della velocità del suono ed è in grado di bruciare tutto il materiale di una stella prima che si disperda nel vuoto dello spazio.

Ma, la fisica dei meccanismi che creano una detonazione in una stella è stata sfuggente.

Ora, un team di ricercatori dell'Università del Connecticut, Università del Texas A&M, Università della Florida centrale, Laboratorio di ricerca navale, e l'Air Force Research Laboratory ha sviluppato una teoria che fa luce sull'enigmatico processo di formazione della detonazione al centro di questi straordinari eventi astronomici.

La ricerca, pubblicato il 1 novembre in Scienza , offre una comprensione critica di questo processo fisico sia nelle stelle che nei sistemi chimici sulla Terra. Era guidato da Alexei Poludnenko, UConn School of Engineering e Texas A&M University; in collaborazione con Jessica Chambers e Kareem Ahmed, l'Università della Florida Centrale; Vadim Gamezo, il Laboratorio di Ricerca Navale; e Brian Taylor, il Laboratorio di Ricerca dell'Aeronautica.

Per la prima volta, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare il processo di formazione della detonazione da una lenta fiamma subsonica utilizzando sia esperimenti che simulazioni numeriche effettuate su alcuni dei più grandi supercomputer della nazione. Hanno anche applicato con successo i risultati per prevedere le condizioni di formazione della detonazione in uno degli scenari teorici classici dell'esplosione di supernova di tipo Ia.

Le esplosioni di supernova di tipo Ia si verificano quando carbonio e ossigeno si impacchettano a una densità di circa 1, 000 tonnellate per centimetro cubo nel nucleo stellare bruciano rapidamente, reazioni termonucleari. L'esplosione risultante distrugge una stella in pochi secondi ed espelle la maggior parte della sua massa mentre emette una quantità di energia pari all'energia emessa dalla stella durante tutta la sua vita.

Tipicamente, per formare una detonazione, la combustione deve avvenire in un ambiente ristretto con pareti, ostacoli, o confini, che può limitare le onde di pressione rilasciate dalla combustione.

All'aumentare della pressione, si formano onde d'urto, che possono crescere in forza fino al punto in cui possono comprimere la miscela reattiva accendendola e producendo un fronte supersonico autosufficiente. Le stelle non hanno muri né ostacoli, che rende enigmatica la formazione di una detonazione.

In questo studio, il team ha sviluppato una teoria unificata della deflagrazione-detonazione indotta dalla turbolenza che descrive il meccanismo e le condizioni per avviare la detonazione sia nelle esplosioni chimiche non confinate che in quelle termonucleari.

Secondo la teoria, se si prende una miscela reattiva, che brucia e sprigiona energia, e lo agita per creare un'intensa turbolenza, ne può derivare una catastrofica instabilità che aumenterebbe rapidamente la pressione nel sistema producendo forti scosse e innescando una detonazione. Sorprendentemente questa teoria prevede le condizioni per la formazione della detonazione nelle supernove di tipo Ia.

I ricercatori sono stati in grado di ottenere informazioni sugli aspetti fondamentali dei processi fisici che controllano le esplosioni di supernova perché le onde di combustione termonucleare sono simili alle onde di combustione chimica sulla Terra in quanto sono controllate dagli stessi meccanismi fisici.

A causa delle somiglianze, i risultati possono essere applicati a vari sistemi di combustione terrestre in cui possono formarsi detonazioni, come il contesto degli incidenti industriali che comportano esplosioni gassose, così come nuove applicazioni di propulsione e conversione dell'energia, come i motori a detonazione.