Supernove esotiche in 3D

Anni di ricerca e l’equivalente di 5 milioni di ore di calcolo ai supercomputer. È l’immane sforzo che è stato necessario per realizzare le prime simulazioni 3D ad alta risoluzione che indagano le supernove più peculiari che conosciamo. Chiamate supernove esotiche, sono esplosioni luminose molto più potenti e più durature rispetto alle supernove tradizionali, rimanendo tuttavia eventi cosmici a noi misteriosi.

L’evoluzione delle supernove esotiche è infatti assai differente dai processi che osserviamo nelle modellazioni fin qui costruite per spiegare le esplosioni di supernove tradizionali.

Pubblicata su The Astrophysical Journal, la ricerca rappresenta la prima simulazione in alta risoluzione di eventi così intricati, nonostante le richieste computazionali necessarie per mantenere una elevata complessità e numerosità dei processi fisici simulati.

Il lavoro è stato curato da un team internazionale di esperti sfruttando i potenti supercomputer del Lawrence Berkeley National Laboratory e dell’Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone.

Le stelle massicce concludono il loro ciclo di vita esplodendo in supernove, uno spettacolo autodistruttivo che illumina l’intero universo. Comprendere appieno la fisica di questi eventi, quindi cosa regoli lo sprigionamento di una luminosità pari a quella di miliardi di soli, è a tutti gli effetti una sfida per l’astrofisica. Ancora più ostica nel caso delle supernove esotiche, ossia esplosioni stellari insolite che sfidano i modelli fin qui costruiti per spiegare questi boati cosmici. Tra i ‘casi ribelli’ vi sono le supernove superluminose e le supernove eternamente luminose.

Le prime si differenziano dalle esplosioni stellari regolari in quanto sono circa 100 volte superiori in termini di luminosità. Le seconde, invece, si distinguono per un periodo di irradiazione molto più lungo: questi boati brillano nel cielo per diversi anni, a fronte di una luminosità limitata a poche settimane o pochi mesi nel caso delle supernove regolari.

Finora, non vi è certezza sulla genesi delle supernove esotiche. Gli astronomi ipotizzano che queste nascano dalla morte di stelle particolarmente massicce, ossia con masse che vanno da 80 a 140 volte quella del Sole. Questa ipotesi si regge sul fatto che le stelle supermassicce osservate nell’universo sono relativamente rare, candidandole così a progenitrici delle supernove peculiari in quanto anche esse poco diffuse in termini numerici.

Gli astri supermassicci sono caratterizzati, tuttavia, da una struttura evolutiva altamente instabile, al punto da rendere molto complicata la modellazione dei processi fisici che li governano, compresa le potenti e peculiari esplosioni in supernova con cui muoiono.

Questi processi complessi sono stati studiati finora attraverso modelli di fluidi monodimensionali e bidimensionali: simulazioni non in grado, tuttavia, di rappresentare la dinamica complessiva delle esplosioni esotiche. Le nuove simulazioni sono, invece, le prime a permettere una modellazione multidimensionale di questi complessi eventi cosmici, permettendo ai ricercatori di studiare l’intreccio tra la propagazione della radiazione luminosa e le sue interazioni con la materia.

Il team ha potuto così scoprire il ruolo delle eruzioni intermittenti nelle stelle massicce: quando materiali provenienti da diversi periodi di eruzione si scontrano, circa il 20-30% dell’energia cinetica del gas può essere convertita in radiazione, offrendo così una spiegazione al fenomeno delle supernove superluminose.

I nuovi modelli 3D hanno inoltre mostrato il ruolo chiave delle strutture turbolente generate durante l’espulsione di materiale nell’esplosione: queste turbolenze influenzano il rilascio e il trasferimento di energia, dunque la luminosità e l’aspetto della supernova.

Le simulazioni si sono dunque dimostrate molto più efficaci per comprendere le caratteristiche osservate nelle supernove esotiche, permettendo passi da gigante nell’approfondimento della fisica di queste straordinarie esplosioni stellari.

 

Immagine in evidenza: le distribuzioni fisiche finali della supernova esotica, con quattro distinti quadranti di colore che rappresentano diverse quantità fisiche: I. temperatura, II. velocità, III. densità di energia radiativa e IV. densità del gas. Il cerchio bianco tratteggiato indica la posizione della fotosfera della supernova. Questa immagine aiuta a comprendere la fisica di fondo delle supernove esotiche e fornisce una spiegazione per i fenomeni osservati. Credito: Ke-Jung Chen/Asiaa