Ingrediente segreto trovato per alimentare le supernove
Nel 1987, una stella gigante è esplosa proprio accanto alla nostra galassia, la Via Lattea. Era la supernova più luminosa e più vicina dall'invenzione del telescopio circa quattro secoli prima, e quasi tutti gli osservatori si sono voltati per dare un'occhiata. Forse la cosa più eccitante è che gli osservatori specializzati sepolti nel sottosuolo hanno catturato particelle subatomiche timide chiamate neutrini che fuoriuscivano dall'esplosione.
Queste particelle furono proposte per la prima volta come la forza trainante delle supernove nel 1966, il che rese la loro scoperta una fonte di conforto per i teorici che avevano cercato di comprendere il funzionamento interno delle esplosioni. Tuttavia, nel corso dei decenni, gli astrofisici si erano costantemente imbattuti in quello che sembrava essere un difetto fatale nei loro modelli alimentati da neutrini.
I neutrini sono notoriamente particelle distanti, e rimangono dubbi su come esattamente i neutrini trasferiscono la loro energia alla materia ordinaria della stella nelle condizioni estreme di una stella che collassa. Ogni volta che i teorici cercavano di modellare questi intricati movimenti e interazioni delle particelle nelle simulazioni al computer, l'onda d'urto della supernova si bloccava e ricadeva su se stessa. I fallimenti "hanno rafforzato l'idea che la nostra teoria principale su come le supernove esplodono forse non funziona", ha detto Sean Couch , astrofisico computazionale presso la Michigan State University.
Naturalmente, i dettagli di ciò che accade nelle profondità di una supernova mentre esplode sono sempre stati misteriosi. È un calderone di estremi, una zuppa turbolenta di materia trasmutante, in cui particelle e forze spesso ignorate nel nostro mondo quotidiano diventano critiche. Ad aggravare il problema, l'interno esplosivo è in gran parte nascosto alla vista, avvolto da nuvole di gas caldo. Comprendere i dettagli delle supernove "è stato un problema centrale irrisolto in astrofisica", ha detto Adam Burrows , un astrofisico alla Princeton University che ha studiato le supernove per più di 35 anni.
Negli ultimi anni, tuttavia, i teorici sono stati in grado di comprendere i meccanismi sorprendentemente complessi che fanno funzionare le supernove. Le simulazioni che esplodono sono diventate la norma, piuttosto che l'eccezione, ha scritto Burrows su Nature questo mese. I codici informatici dei gruppi di ricerca rivali stanno ora concordando su come si evolvono le onde d'urto della supernova, mentre le simulazioni sono progredite così tanto da includere anche gli effetti della notoriamente intricata relatività generale di Einstein. Il ruolo dei neutrini sta finalmente diventando compreso.
"È un momento di svolta", ha detto Couch. Quello che stanno scoprendo è che senza turbolenza, le stelle che collassano potrebbero non formare mai delle supernove.
Una danza caotica
Per gran parte della vita di una stella, l'attrazione della gravità verso l'interno è delicatamente bilanciata dalla spinta verso l'esterno della radiazione dalle reazioni nucleari all'interno del nucleo della stella. Quando la stella finisce il carburante, la gravità prende piede. Il nucleo collassa su se stesso – precipitando a 150.000 chilometri all'ora – provocando un aumento delle temperature fino a 100 miliardi di gradi Celsius e fondendo il nucleo in una solida sfera di neutroni.
Gli strati esterni della stella continuano a cadere verso l'interno, ma quando colpiscono questo nucleo di neutroni incomprimibile, rimbalzano su di esso, creando un'onda d'urto. Affinché l'onda d'urto diventi un'esplosione, deve essere spinta verso l'esterno con energia sufficiente per sfuggire all'attrazione della gravità della stella. L'onda d'urto deve anche combattere contro la spirale interna degli strati più esterni della stella, che stanno ancora cadendo sul nucleo.
Fino a poco tempo, le forze che alimentavano l'onda d'urto erano comprese solo nei termini più sfocati. Per decenni, i computer sono stati sufficientemente potenti per eseguire modelli semplificati del nucleo che collassa. Le stelle erano trattate come sfere perfette, con l'onda d'urto che emanava dal centro allo stesso modo in ogni direzione. Ma quando l'onda d'urto si sposta verso l'esterno in questi modelli unidimensionali, rallenta e poi vacilla.
Solo negli ultimi anni, con la crescita dei supercomputer, i teorici hanno avuto abbastanza potenza di calcolo per modellare stelle massicce con la complessità necessaria per ottenere esplosioni. I modelli migliori ora integrano dettagli come le interazioni a livello micro tra neutrini e materia, i moti disordinati dei fluidi e i recenti progressi in molti campi diversi della fisica, dalla fisica nucleare all'evoluzione stellare. Inoltre, i teorici possono ora eseguire molte simulazioni ogni anno , consentendo loro di modificare liberamente i modelli e provare diverse condizioni di partenza.
Un punto di svolta è arrivato nel 2015, quando Couch ei suoi collaboratori hanno eseguito un modello tridimensionale al computer degli ultimi minuti del collasso di una stella enorme . Sebbene la simulazione abbia mappato solo 160 secondi della vita della star, ha illuminato il ruolo di un giocatore sottovalutato che aiuta le onde d'urto bloccate a trasformarsi in esplosioni a tutti gli effetti.
Nascoste nella pancia della bestia, le particelle si torcono e girano in modo caotico. “È come bollire l'acqua sulla tua stufa. Ci sono enormi ribaltamenti di fluido all'interno della stella, che vanno a migliaia di chilometri al secondo ", ha detto Couch.
Questa turbolenza crea una pressione extra dietro l'onda d'urto, spingendola più lontano dal centro della stella. Lontano dal centro, l'attrazione della gravità verso l'interno è più debole e c'è meno materia che cade verso l'interno per temperare l'onda d'urto. La materia turbolenta che rimbalza dietro l'onda d'urto ha anche più tempo per assorbire i neutrini. L'energia dei neutrini riscalda quindi la materia e spinge l'onda d'urto in un'esplosione.
Per anni i ricercatori non erano riusciti a rendersi conto dell'importanza della turbolenza, perché rivelava il suo pieno impatto solo nelle simulazioni eseguite in tre dimensioni. "Ciò che la natura fa senza sforzo, ci sono voluti decenni per ottenerlo mentre siamo passati da una dimensione a due e tre dimensioni", ha detto Burrows.
Queste simulazioni hanno anche rivelato che la turbolenza si traduce in un'esplosione asimmetrica, in cui la stella sembra un po 'una clessidra. Mentre l'esplosione si spinge verso l'esterno in una direzione, la materia continua a cadere sul nucleo in un'altra direzione, alimentando ulteriormente l'esplosione della stella.
Queste nuove simulazioni stanno dando ai ricercatori una migliore comprensione di come esattamente le supernove abbiano plasmato l'universo che vediamo oggi. "Siamo in grado di ottenere il corretto intervallo di energia di esplosione e possiamo ottenere le masse di stelle di neutroni che vediamo lasciate indietro", ha detto Burrows. Le supernove sono in gran parte responsabili della creazione del budget dell'universo di elementi pesanti come ossigeno e ferro, ei teorici stanno iniziando a utilizzare simulazioni per prevedere esattamente quanto dovrebbero essere presenti questi elementi pesanti. "Stiamo ora iniziando ad affrontare problemi che erano inimmaginabili in passato", ha detto Tuguldur Sukhbold , astrofisico teorico e computazionale presso la Ohio State University.
The Next Blast
Nonostante l'aumento esponenziale della potenza di calcolo, una simulazione di supernova è molto più rara di un'osservazione nel cielo. "Vent'anni fa venivano scoperte circa 100 supernove ogni anno", ha detto Edo Berger , astronomo dell'Università di Harvard. "Ora stiamo scoprendo 10.000 o 20.000 ogni anno", un aumento guidato da nuovi telescopi che scansionano rapidamente e ripetutamente il cielo notturno. Al contrario, in un anno i teorici effettuano circa 30 simulazioni al computer. Una singola simulazione, ricreando solo pochi minuti di collasso del nucleo, può richiedere molti mesi. "Fai il check-in ogni giorno ed è passato solo un millisecondo", ha detto Couch. "È come guardare la melassa in inverno."
L'ampia precisione delle nuove simulazioni ha entusiasmato gli astrofisici per la prossima esplosione nelle vicinanze. “In attesa della prossima supernova, abbiamo molto lavoro da fare. Dobbiamo migliorare la modellazione teorica per capire quali caratteristiche possiamo rilevare ", ha detto Irene Tamborra , astrofisica teorica presso l'Università di Copenaghen. "Non puoi perdere l'occasione, perché è un evento così raro."
La maggior parte delle supernove sono troppo lontane dalla Terra perché gli osservatori possano rilevare i loro neutrini. Le supernove nelle immediate vicinanze della Via Lattea – come la Supernova 1987A – si verificano in media solo una volta ogni mezzo secolo .
Ma se si verifica, gli astronomi saranno in grado di "scrutare direttamente nel centro dell'esplosione", ha detto Berger, osservando le sue onde gravitazionali. “Diversi gruppi hanno sottolineato diversi processi come importanti nell'effettiva esplosione della stella. E questi diversi processi hanno differenti firme di onde gravitazionali e neutrini ".
Sebbene i teorici abbiano ora ampiamente raggiunto un consenso sui fattori più importanti che guidano le supernove, le sfide rimangono. In particolare, il risultato dell'esplosione è "fortemente dettato" dalla struttura del nucleo di una stella prima che collassi, ha detto Sukhbold. Piccole differenze sono amplificate in una varietà di risultati dal collasso caotico, quindi anche l'evoluzione di una stella prima che collassi deve essere modellata accuratamente .
Altre domande includono il ruolo di intensi campi magnetici nel nucleo di una stella rotante . "È molto probabile che tu possa avere un meccanismo ibrido di campi magnetici e neutrini", ha detto Burrows. Anche il modo in cui i neutrini cambiano da un tipo – o "sapore" – a un altro e come questo influenzi l'esplosione non è chiaro.
"Ci sono molti ingredienti che devono ancora essere aggiunti alle nostre simulazioni", ha detto Tamborra. “Se una supernova dovesse esplodere domani e corrispondesse alle nostre previsioni teoriche, significa che tutti gli ingredienti che attualmente ci mancano possono essere tranquillamente trascurati. Ma se non è così, allora dobbiamo capire perché. "
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/supercomputer-simulations-reveal-the-power-inside-a-supernova-20210121/ in data Thu, 21 Jan 2021 15:25:33 +0000.