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Supernova in 3D

Per la maggior parte del ventesimo secolo gli astronomi hanno perlustrato il cielo alla ricerca delle supernovae esplosioni stellari estremamente energetiche e degli elementi pesanti prodotti nel loro processo di formazione.  L’esplosione delle supernovae è  anche uno dei fenomeni cruciali per  produzione della maggior parte degli eventi cosmici che formano nuove stelle e galassie. 

Dato che non è possibile osservare una supernova da vicino gli scienziati si sono sempre affidati a simulazioni al computer per ottenere informazioni sulla fisica che guida la loro formazione. Ora per la prima volta un team di astronomi del Lawrence Berkeley National Laboratory ha utilizzato il codice Castro per simulare la fisica tridimensionale delle supernovae super luminose, circa cento volte più brillanti delle altre tipologie. Lo studio è stato pubblicato sull’ultimo numero di Astrophysical Journal.

Gli astronomi hanno scoperto che questi eventi super luminosi si verificano quando una magnetar – il cadavere in rapida rotazione di una stella massiccia il cui campo magnetico è trilioni di volte più forte di quello terrestre – è al centro di una giovane supernova. La radiazione rilasciata dalla magnetar è il fattore che amplifica la luminosità della supernova: per capire in modo più approfondito questo processo è necessaria  una simulazione multidimensionale.

Il nucleo di una magnetar al centro di una supernova

«Per eseguire simulazioni 3D di supernove super luminose alimentate da una magnetar c’è bisogno di un supercomputer molto potente e del codice giusto – commenta Ken Chen, autore principale dell’articolo –  inoltre  la simulazione numerica richiesta per catturare le instabilità fluide di questi eventi superluminosi in 3D è molto complessa e richiede molta potenza di calcolo, per questo motivo nessuno aveva mai tentato l’impresa fino ad ora.

Le instabilità dei fluidi si verificano continuamente intorno a noi ma per poterla osservare al meglio è necessario utilizzare una seconda e una terza dimensione. Su scala cosmica le instabilità fluide che portano alla turbolenza e alla miscelazione degli elementi svolgono un ruolo critico nella formazione di oggetti cosmici come galassie, stelle e supernovae. «E’ necessario usare la fisica su una vasta gamma di scale, da molto grandi a veramente minuscole, per modellare con precisione oggetti astrofisici come supernove superluminose – continua Chen – siamo riusciti a superare questo problema con un nuovo schema numerico e diverse milioni di ore di supercalcolo».

Nel corso della ricerca gli astronomi hanno modellato un residuo di supernova largo circa 15 miliardi di chilometri con all’interno una densa magnetar, larga 10 chilometri. In questo sistema le simulazioni hanno mostrato la formazione di instabilità idrodinamiche su due scale nel materiale residuo.  Nello specifico un’instabilità è  situata nella bolla calda eccitata dalla magnetar mentre l’altra si verifica quando l’onda d’urto della supernova entra in collisione con il gas dell’ambiente circostante. Le due instabilità fluide causano una miscelazione maggiore di quella che si verificherebbe normalmente in un tipico evento di supernova che ha conseguenze significative per le curve di luce e gli spettri delle supernove superluminose.

Gli astronomi hanno anche scoperto che la magnetar può generare l’espulsione di elementi come calcio e silicio alla velocità di circa 12mila chilometri al secondo. Inoltre anche l’energia derivante dalle magnetar più deboli può accelerare gli elementi del gruppo ferro – situati nelle profondità delle supernova – dai 5000 ai 7000 chilometri al secondo.

«Siamo stati i primi a modellare accuratamente un sistema di supernova superluminoso in 3D -conclude Chen – perché siamo stati fortunati ad avere accesso ai supercomputer di Berkeley: strutture come questa sono i luoghi ideali per fare scienza all’avanguardia».

Fulvia Croci: Giornalista