Un equipo internacional de astrónomos aprovechó las potentes supercomputadoras del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en Estados Unidos y del Observatorio Astronómico Nacional en Japón. Después de años de minuciosa investigación y más de cinco millones de horas de computación en supercomputadoras, finalmente crearon la primera simulación hidrodinámica de radiación tridimensional de alta resolución del mundo de una supernova extraña. El descubrimiento se publicará en el último número de The Astrophysical Journal.

Las simulaciones tridimensionales de supernovas exóticas revelan las estructuras turbulentas creadas durante la eyección de material en la explosión. Estas estructuras turbulentas influyen en el brillo general y la estructura de explosión de la supernova. La turbulencia juega un papel crucial durante las explosiones de supernovas y es causada por movimientos irregulares de fluidos, lo que lleva a una dinámica compleja. Estas estructuras turbulentas mezclan y distorsionan la materia, afectando la liberación y transferencia de energía, afectando así el brillo y la apariencia de la supernova. A través de simulaciones tridimensionales, los científicos tienen una comprensión más profunda de los procesos físicos de extrañas explosiones de supernovas y pueden explicar los fenómenos observados y las características de estas extraordinarias supernovas. Fuente: Ke-JungChen/ASIAA

Las explosiones de supernovas son los finales más espectaculares de las estrellas masivas. Terminan sus ciclos de vida mediante la autodestrucción, liberando instantáneamente un brillo equivalente a miles de millones de soles, iluminando todo el universo. Durante la explosión, los elementos pesados ​​formados dentro de la estrella también son expulsados, sentando las bases para el nacimiento de nuevas estrellas y planetas, y desempeñando un papel vital en el origen de la vida. Por lo tanto, las supernovas se han convertido en uno de los temas fronterizos de la astrofísica moderna, que abarca muchas cuestiones astronómicas y físicas importantes en teoría y observación, y tienen un importante valor de investigación.

Durante el último medio siglo, la investigación nos ha brindado una comprensión relativamente completa de las supernovas. Sin embargo, las últimas observaciones de supernovas a gran escala están comenzando a revelar muchas explosiones estelares inusuales (supernovas extrañas) que desafían y anulan los conocimientos previamente establecidos sobre la física de las supernovas.

El misterio de una extraña supernova

Entre las supernovas extrañas, las supernovas superluminosas y las supernovas eternamente luminosas son las más desconcertantes. Las supernovas superluminosas son aproximadamente 100 veces más brillantes que las supernovas ordinarias, mientras que el brillo de las supernovas ordinarias normalmente sólo dura de unas pocas semanas a 2 o 3 meses. Por el contrario, las supernovas eternamente brillantes recientemente descubiertas pueden mantener su brillo durante varios años o más.

Aún más sorprendente es que algunas supernovas extrañas muestran cambios irregulares e intermitentes de brillo, estallando como fuentes. Estas extrañas supernovas pueden ser la clave para comprender la evolución de las estrellas más masivas del universo.

Esta imagen muestra la distribución física final de supernovas extrañas. Los cuatro cuadrantes de diferentes colores representan diferentes cantidades físicas: I. Temperatura; II. Velocidad; III. Densidad de energía de radiación; IV. Densidad de los gases. El círculo blanco discontinuo indica la ubicación de la fotosfera de la supernova. Como puede verse en esta imagen, toda la estrella se vuelve turbulenta de adentro hacia afuera. Los lugares donde chocó el material expulsado coincidían estrechamente con las posiciones de las fotosferas, lo que sugiere que se produjo radiación térmica durante estas colisiones, propagándose efectivamente hacia afuera mientras se creaba una capa no uniforme de gas. Esta imagen nos ayuda a comprender la física básica de las supernovas extrañas y proporciona una explicación de los fenómenos observados. Fuente: Ke-JungChen/ASIAA

Origen y estructura evolutiva

Los orígenes de estas extrañas supernovas no se comprenden del todo, pero los astrónomos creen que pueden surgir de estrellas inusualmente masivas. En el caso de estrellas con masas entre 80 y 140 veces la del Sol, se producen reacciones de fusión de carbono en sus núcleos a medida que se acerca el final de su vida. En el proceso, los fotones de alta energía crean pares electrón-positrón, lo que desencadena pulsaciones en el núcleo que provocan varias contracciones violentas.

Estas contracciones liberan grandes cantidades de energía de fusión y provocan explosiones, lo que da lugar a explosiones estelares masivas. Las propias explosiones pueden parecerse a explosiones de supernova ordinarias. Además, cuando la materia en diferentes etapas de explosión choca, puede ocurrir un fenómeno similar a una supernova superluminal.

Actualmente, el número de estrellas tan masivas en el universo es relativamente raro, lo que concuerda con la escasez de supernovas exóticas. Por lo tanto, los científicos sospechan que las estrellas con masas entre 80 y 140 veces la del Sol son probablemente los antepasados ​​de extrañas supernovas. Sin embargo, la inestable estructura en evolución de estas estrellas hace que su modelado sea bastante desafiante, y los modelos actuales se limitan principalmente a simulaciones unidimensionales.

Limitaciones de los modelos anteriores

Sin embargo, los modelos unidimensionales anteriores también adolecen de graves deficiencias. Las explosiones de supernovas crean mucha turbulencia, y la turbulencia juega un papel crucial en la explosión y el brillo de las supernovas. Sin embargo, los modelos unidimensionales no pueden simular la turbulencia desde los primeros principios. Estos desafíos hacen que la comprensión profunda de los mecanismos físicos detrás de las supernovas extrañas siga siendo un problema importante en la astrofísica teórica actual.

Un salto en las capacidades de simulación

Las simulaciones de alta resolución de explosiones de supernovas plantean importantes desafíos. A medida que aumenta la escala de las simulaciones, mantener una alta resolución se vuelve cada vez más difícil, lo que aumenta considerablemente la complejidad y los requisitos computacionales y, al mismo tiempo, requiere la consideración de una gran cantidad de procesos físicos. Chen Kezheng enfatizó que el código de simulación de su equipo tiene ventajas en comparación con otros grupos competidores en Europa y Estados Unidos.

Las simulaciones relevantes anteriores se limitaban principalmente a modelos de fluidos unidimensionales y algunos bidimensionales, mientras que en las supernovas exóticas, los efectos multidimensionales y la radiación desempeñan un papel crucial, afectando a la radiación óptica y a la dinámica general de la explosión.

El poder de las simulaciones de hidrodinámica de radiación.

Las simulaciones de hidrodinámica de radiación tienen en cuenta la propagación de la radiación y su interacción con la materia. Este intrincado proceso de transferencia radiativa hace que los cálculos sean extremadamente desafiantes, y sus requisitos y dificultad computacionales son mucho mayores que los de las simulaciones de fluidos. Sin embargo, con la amplia experiencia del equipo en el modelado de explosiones de supernovas y simulaciones a gran escala, finalmente lograron crear la primera simulación tridimensional de hidrodinámica de radiación del mundo de una supernova extraña.

Hallazgos e implicaciones de la investigación.

Los hallazgos del equipo sugieren que las explosiones intermitentes de estrellas masivas pueden exhibir características similares a múltiples supernovas más débiles. Cuando chocan materiales de diferentes etapas de explosión, aproximadamente entre el 20% y el 30% de la energía cinética del gas se puede convertir en radiación, lo que es la causa del fenómeno de supernova superluminal.

Además, el efecto de enfriamiento radiativo hace que el gas expulsado forme una estructura laminar tridimensional densa pero desigual. Esta estructura laminar se convierte en la principal fuente de emisión de luz de la supernova. Los resultados de su simulación explican efectivamente las características observadas de las extrañas supernovas antes mencionadas.

Utilizando simulaciones de supercomputadoras de última generación, la investigación proporciona avances significativos en la comprensión de la física de supernovas extrañas. Con el lanzamiento del Next Generation Supernova Survey, los astrónomos detectarán supernovas más exóticas, profundizando aún más nuestra comprensión de las etapas finales de estrellas típicamente masivas y sus mecanismos de explosión.