Uma equipe internacional de astrônomos aproveitou poderosos supercomputadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, nos Estados Unidos, e do Observatório Astronômico Nacional, no Japão. Depois de anos de pesquisa meticulosa e mais de cinco milhões de horas de computação em supercomputadores, eles finalmente criaram a primeira simulação hidrodinâmica de radiação tridimensional de alta resolução de uma supernova bizarra. A descoberta será publicada na última edição do The Astrophysical Journal.

Simulações tridimensionais de supernovas exóticas revelam as estruturas turbulentas criadas durante a ejeção do material na explosão. Essas estruturas turbulentas influenciam então o brilho geral da supernova e a estrutura da explosão. A turbulência desempenha um papel crucial durante as explosões de supernovas e é causada por movimentos irregulares de fluidos, levando a dinâmicas complexas. Estas estruturas turbulentas misturam e distorcem a matéria, afetando a libertação e transferência de energia, afetando assim o brilho e a aparência da supernova. Através de simulações tridimensionais, os cientistas têm uma compreensão mais profunda dos processos físicos de estranhas explosões de supernovas e podem explicar os fenómenos observados e as características destas extraordinárias supernovas. Fonte: Ke-JungChen/ASIAA

As explosões de supernovas são os finais mais espetaculares de estrelas massivas. Eles encerram seus ciclos de vida por autodestruição, liberando instantaneamente um brilho equivalente a bilhões de sóis, iluminando todo o universo. Durante a explosão, elementos pesados ​​formados no interior da estrela também são ejetados, lançando as bases para o nascimento de novas estrelas e planetas e desempenhando um papel vital na origem da vida. Portanto, as supernovas tornaram-se um dos tópicos de fronteira da astrofísica moderna, cobrindo muitas questões astronômicas e físicas importantes na teoria e na observação, e têm importante valor de pesquisa.

Ao longo do último meio século, a investigação deu-nos uma compreensão relativamente abrangente das supernovas. No entanto, as últimas observações de pesquisas de supernovas em grande escala estão a começar a revelar muitas explosões estelares invulgares (supernovas bizarras) que desafiam e subvertem conhecimentos previamente estabelecidos sobre a física das supernovas.

O mistério de uma estranha supernova

Entre as supernovas estranhas, as supernovas superluminosas e as supernovas eternamente luminosas são as mais intrigantes. As supernovas superluminosas são cerca de 100 vezes mais brilhantes que as supernovas comuns, enquanto o brilho das supernovas comuns geralmente dura apenas algumas semanas a 2 a 3 meses. Em contraste, supernovas recentemente descobertas com brilho eterno podem manter o seu brilho durante vários anos ou mais.

Ainda mais surpreendente é que algumas supernovas estranhas apresentam mudanças irregulares e intermitentes no brilho, irrompendo como fontes. Estas estranhas supernovas podem ser a chave para a compreensão da evolução das estrelas mais massivas do Universo.

Esta imagem mostra a distribuição física final de supernovas estranhas. Os quatro quadrantes de cores diferentes representam diferentes grandezas físicas: I. Temperatura; II. Velocidade; III. Densidade de energia de radiação; 4. Densidade do gás. O círculo branco tracejado indica a localização da fotosfera da supernova. Como você pode ver nesta imagem, toda a estrela fica turbulenta de dentro para fora. Os locais onde o material ejetado colidiu correspondiam estreitamente às posições das fotosferas, sugerindo que a radiação térmica foi produzida durante essas colisões, propagando-se efetivamente para fora enquanto criava uma camada não uniforme de gás. Esta imagem ajuda-nos a compreender a física básica de supernovas estranhas e fornece uma explicação para os fenómenos observados. Fonte: Ke-JungChen/ASIAA

Origem e estrutura evolutiva

As origens destas supernovas bizarras não são totalmente compreendidas, mas os astrónomos acreditam que podem surgir de estrelas invulgarmente massivas. Para estrelas com massas entre 80 e 140 vezes a do Sol, as reações de fusão do carbono ocorrem nos seus núcleos à medida que se aproximam do fim das suas vidas. No processo, fótons de alta energia criam pares elétron-pósitron, desencadeando pulsações no núcleo que causam diversas contrações violentas.

Essas contrações liberam grandes quantidades de energia de fusão e desencadeiam explosões, levando a explosões estelares massivas. As próprias explosões podem assemelhar-se a explosões comuns de supernovas. Além disso, quando matéria em diferentes estágios de explosão colide, pode ocorrer um fenômeno semelhante a uma supernova superluminal.

Atualmente, o número dessas estrelas massivas no Universo é relativamente raro, o que é consistente com a escassez de supernovas exóticas. Portanto, os cientistas suspeitam que estrelas com massas 80 a 140 vezes maiores que a do Sol são provavelmente os ancestrais de supernovas estranhas. No entanto, a estrutura evolutiva instável destas estrelas torna a sua modelação bastante desafiadora, e os modelos atuais são principalmente limitados a simulações unidimensionais.

Limitações dos modelos anteriores

No entanto, os modelos unidimensionais anteriores também apresentam sérias deficiências. As explosões de supernovas criam muita turbulência, e a turbulência desempenha um papel crucial na explosão e no brilho das supernovas. No entanto, os modelos unidimensionais não podem simular a turbulência a partir dos primeiros princípios. Estes desafios fazem com que a compreensão aprofundada dos mecanismos físicos por trás de supernovas estranhas ainda seja um grande problema na astrofísica teórica atual.

Um salto nos recursos de simulação

Simulações de alta resolução de explosões de supernovas representam desafios significativos. À medida que a escala das simulações aumenta, manter a alta resolução torna-se cada vez mais difícil, aumentando enormemente a complexidade e os requisitos computacionais, ao mesmo tempo que exige que um grande número de processos físicos sejam considerados. Chen Kezheng enfatizou que o código de simulação da sua equipe tem vantagens em comparação com outros grupos concorrentes na Europa e nos Estados Unidos.

As simulações relevantes anteriores limitaram-se principalmente a modelos de fluidos unidimensionais e alguns bidimensionais, enquanto em supernovas exóticas, os efeitos multidimensionais e a radiação desempenham um papel crucial, afetando a radiação óptica e a dinâmica geral da explosão.

O poder das simulações de hidrodinâmica de radiação

As simulações de hidrodinâmica da radiação levam em consideração a propagação da radiação e sua interação com a matéria. Este intrincado processo de transferência radiativa torna os cálculos extremamente desafiadores, e seus requisitos e dificuldades computacionais são muito maiores do que os das simulações de fluidos. No entanto, com a vasta experiência da equipe em modelagem de explosões de supernovas e simulações em grande escala, eles finalmente conseguiram criar a primeira simulação hidrodinâmica de radiação tridimensional de uma supernova bizarra.

Resultados e implicações da pesquisa

As descobertas da equipe sugerem que explosões intermitentes de estrelas massivas podem exibir características semelhantes a múltiplas supernovas mais fracas. Quando materiais de diferentes estágios de explosão colidem, cerca de 20% a 30% da energia cinética do gás pode ser convertida em radiação, que é a causa do fenômeno da supernova superluminal.

Além disso, o efeito de resfriamento radiativo faz com que o gás ejetado forme uma estrutura de folha tridimensional densa, mas irregular. Esta estrutura em folha torna-se a principal fonte de emissão de luz da supernova. Os resultados da sua simulação explicam eficazmente as características observadas das estranhas supernovas acima mencionadas.

Usando simulações de supercomputadores de última geração, a pesquisa proporciona um progresso significativo na compreensão da física de supernovas bizarras. Com o lançamento do Next Generation Supernova Survey, os astrónomos irão detectar supernovas mais exóticas, aprofundando ainda mais a nossa compreensão das fases finais de estrelas tipicamente massivas e dos seus mecanismos de explosão.