Utilizan millones de horas de supercomputación para simular una supernova extrema

MADRID, (EP). Un equipo internacional de astrofísicos ha simulado por primera vez la física tridimensional (3D) de las supernovas superluminosas, que son aproximadamente cien veces más luminosas que las supernovas típicas.

Alcanzaron este hito utilizando el sofisticado código CASTRO y las supercomputadoras del Berkeley Lab en el NERSC (National Energy Research Scientific Computing Center). Un artículo que describe su trabajo fue publicado en Astrophysical Journal.

Los astrónomos han descubierto que estos eventos superluminosos ocurren cuando un magnetar, el cadáver que gira rápidamente de una estrella masiva cuyo campo magnético es billones de veces más fuerte que el de la Tierra, está en el centro de una joven supernova. La radiación liberada por el magnetar es lo que amplifica la luminosidad de la supernova. Pero para comprender cómo sucede esto, los investigadores necesitan simulaciones multidimensionales.

"Para hacer simulaciones 3D de supernovas superluminosas con magnetar, se necesita mucha potencia de supercomputación y el código correcto, uno que capture la microfísica relevante", dijo Ken Chen, autor principal del artículo y astrofísico en el Instituto Academia Sinica de Astronomía y Astrofísica (ASIAA), Taiwán.

Agrega que la simulación numérica requerida para capturar las inestabilidades fluidas de estos eventos superluminosos en 3D es muy compleja y requiere mucha potencia informática, por lo que nadie lo ha hecho antes.

Las inestabilidades fluidas ocurren a nuestro alrededor. Por ejemplo, si tiene un vaso de agua y coloca un poco de tinte encima, la tensión superficial del agua se volverá inestable y el tinte más pesado se hundirá hasta el fondo. Debido a que dos fluidos se mueven uno al lado del otro, la física de esta inestabilidad no se puede capturar en una dimensión. Necesita una segunda o tercera dimensión, perpendicular a la altura para ver toda la inestabilidad. A escala cósmica, las inestabilidades de los fluidos que conducen a la turbulencia y la mezcla desempeñan un papel fundamental en la formación de objetos cósmicos como galaxias, estrellas y supernovas.

"Es necesario capturar la física en un rango de escalas, desde muy grandes hasta muy pequeñas, en una resolución extremadamente alta para modelar con precisión objetos astrofísicos como supernovas superluminosas. Esto plantea un desafío técnico para los astrofísicos. Pudimos superar este problema con un nuevo esquema numérico y varios millones de horas de supercomputación en NERSC", dijo Chen.

Para este trabajo, los investigadores modelaron un remanente de supernova de aproximadamente 15.000 millones de kilómetros de ancho con una densa magnetar de 10 kilómetros de ancho en el interior. En este sistema, las simulaciones muestran que las inestabilidades hidrodinámicas se forman en dos escalas en el material remanente. Una inestabilidad está en la burbuja caliente energizada por el magnetar y la otra ocurre cuando el choque frontal de la joven supernova se estrella contra el gas ambiental.

"Ambas inestabilidades de los fluidos causan más mezcla de la que normalmente ocurriría en un evento típico de supernova, lo que tiene consecuencias significativas para las curvas de luz y los espectros de las supernovas superluminosas. Nada de esto habría sido capturado en un modelo unidimensional", dijo Chen.

También descubrieron que el magnetar puede acelerar los elementos de calcio y silicio que fueron expulsados de la joven supernova a velocidades de 12.000 kilómetros por segundo, lo que explica sus líneas de emisión ampliadas en las observaciones espectrales. Y que incluso la energía de magnetares débiles puede acelerar los elementos del grupo de hierro, que se encuentran en las profundidades del remanente de supernova, a 5.000 a 7.000 kilómetros por segundo, lo que explica por qué el hierro se observa temprano en eventos de supernovas de colapso del núcleo como SN 1987A. Este ha sido un largo misterio en astrofísica.

"Fuimos los primeros en modelar con precisión un sistema de supernovas superluminosas en 3D porque tuvimos la suerte de tener acceso a las supercomputadoras NERSC", dijo Chen. "Esta instalación es un lugar extremadamente conveniente para hacer ciencia de vanguardia".