Simulações tridimensionais de supernovas ajudam cientistas a desvendarem mistérios do espaço

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Em 1987, uma estrela gigante explodiu bem ao lado de nossa própria galáxia Via Láctea. Foi a supernova mais brilhante e mais próxima desde a invenção do telescópio quatro séculos antes, e quase todos os observatórios se voltaram para dar uma olhada. Talvez o mais intrigante, os observatórios especializados enterraram profundas partículas subatômicas tímidas capturadas no subsolo, chamadas neutrinos, que saíam da explosão.

Simulações tridimensionais de supernovas ajudam cientistas a desvendarem mistérios do espaço
Foto: (reprodução/Philipp Mösta, Sherwood Richers/Phys.org)

Estas partículas foram propostas pela primeira vez como a força motriz por trás das supernovas em 1966, o que fez de sua detecção uma fonte de conforto para os teóricos que haviam tentado entender o funcionamento interno das explosões. No entanto, ao longo das décadas, os astrofísicos tinham constantemente esbarrado no que parecia ser uma falha fatal em seus modelos neutrinos.

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Os neutrinos são partículas distanciadas, e restavam dúvidas sobre como exatamente os neutrinos transferiam sua energia para a matéria comum da estrela sob as condições extremas de uma estrela em colapso. Sempre que os teóricos tentavam modelar estes movimentos e interações de partículas em simulações de computador, a onda de choque da supernova empatava e caía de volta sobre si mesma. 

As falhas “entrincheiraram a ideia de que nossa teoria principal de como as supernovas explodem talvez não funcione”, disse Sean Couch, um astrofísico computacional da Michigan State University.

O mistérios da supernova

As especificidades do que acontece nas profundezas de uma supernova enquanto ela explode sempre foram misteriosas. É um caldeirão de extremos, uma “sopa” turbulenta de matéria transmutante, onde partículas e forças muitas vezes ignoradas se tornam críticas. Complicando o problema, o interior explosivo está escondido da vista, envolto por nuvens de gás quente. 

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A compreensão dos detalhes das supernovas “tem sido um problema central não resolvido na astrofísica”, disse Adam Burrows, astrofísico da Universidade de Princeton que estudou supernovas por mais de 35 anos.

Nos últimos anos, no entanto, os teóricos puderam se familiarizar com os mecanismos surpreendentemente complexos que fazem com que as supernovas funcionem. Simulações que explodem se tornaram a norma, em vez da exceção, escreveu Burrows na revista Nature este mês. 

A computação em prol da ciência

Os códigos computacionais dos grupos de pesquisa rival estão agora concordando sobre como as ondas de choque das supernovas evoluem, enquanto as simulações avançaram tanto que até mesmo os efeitos da notoriamente intrincada relatividade geral de Einstein estão sendo incluídos. O papel dos neutrinos está finalmente se tornando compreendido.

Simulações tridimensionais de supernovas ajudam cientistas a desvendarem mistérios do espaço
Supernova. Foto: (reprodução/NASA)

“É um momento decisivo”, disse Couch. O que eles estão descobrindo é que, sem turbulência, estrelas em colapso podem nunca formar supernovas.

Durante grande parte da vida de uma estrela, a atração interna da gravidade é delicadamente equilibrada pelo impulso externo de radiação das reações nucleares dentro do núcleo da estrela. À medida que a estrela fica sem combustível, a gravidade se apodera. 

O núcleo colapsa em si mesmo – despencando a 150.000 quilômetros por hora – causando o aumento da temperatura a 100 bilhões de graus Celsius e fundindo o núcleo em uma sólida bola de nêutrons.

Ondas de choque estelares

Até recentemente, as forças que alimentavam a onda de choque só eram entendidas em termos mais simples. Durante décadas, os computadores foram apenas poderosos o suficiente para executar modelos simplificados do núcleo em colapso. 

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As estrelas eram tratadas como esferas perfeitas, com a onda de choque emanando do centro da mesma forma em todas as direções. Mas à medida que a onda de choque se move para fora nestes modelos unidimensionais, ela abranda e depois vacila.

Somente nos últimos anos, com o crescimento dos supercomputadores, os teóricos tiveram poder de computação suficiente para modelar estrelas maciças com a complexidade necessária para conseguir explosões

Explosões 3D 

Os melhores modelos agora integram detalhes como as interações de nível micro entre neutrinos e matéria, os movimentos desordenados dos fluidos e os avanços recentes em muitos campos da física – desde a física nuclear até a evolução estelar. Além disso, os teóricos podem agora executar muitas simulações a cada ano, permitindo-lhes ajustar livremente os modelos e experimentar diferentes condições de partida.

Um ponto de virada veio em 2015, quando Couch e seus colaboradores executaram um modelo computadorizado tridimensional dos minutos finais do colapso maciço de uma estrela. Embora a simulação tenha mapeado apenas 160 segundos da vida da estrela, ela iluminou o papel de um jogador subvalorizado que ajuda as ondas de choque paradas a se transformarem em explosões de pleno voo.

“É como água fervente no fogão. Há enormes reviravoltas de fluido dentro da estrela, indo a milhares de quilômetros por segundo”, disse Couch.

Traduzido e editado por equipe: Isto é Interessante 

Fontes: Quanta Magazine, Oxford Academic, Nature, IOP Science

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