Após anos de pesquisa dedicada e mais de 5 milhões de horas de computação em supercomputadores, uma equipe internacional liderada por Ke-Jung Chen, do Instituto de Astronomia e Astrofísica da Academia Sinica (ASIAA) em Taiwan, alcançou um marco inovador. Eles desenvolveram com sucesso as primeiras simulações de alta resolução em 3D que representam a hidrodinâmica de radiação de supernovas exóticas. Essas descobertas notáveis estão detalhadas em The Astrophysical Journal.
A equipe aproveitou o poder computacional de supercomputadores no Lawrence Berkeley National Laboratory e no National Astronomical Observatory of Japan para alcançar esse feito.
As explosões de supernovas marcam a dramática conclusão dos ciclos de vida de estrelas massivas, culminando em um evento autodestrutivo que emite instantaneamente luz equivalente a bilhões de sóis, iluminando todo o cosmos. Essas explosões também expulsam elementos pesados forjados dentro da estrela, fornecendo os materiais brutos para a formação de novas estrelas e planetas, desempenhando assim um papel fundamental nas origens da vida.
As supernovas têm sido há muito tempo um foco na astrofísica moderna, abrangendo inúmeras questões astronômicas e físicas significativas em estruturas teóricas e estudos observacionais, oferecendo um valor substancial para a pesquisa.
Ao longo das últimas cinco décadas, extensas pesquisas proporcionaram uma compreensão relativamente abrangente das supernovas. No entanto, recentes observações em larga escala de pesquisas de supernovas revelaram uma miríade de explosões estelares atípicas, conhecidas como supernovas exóticas. Esses eventos exóticos desafiam e revisam teorias previamente estabelecidas sobre a física das supernovas.
Entre essas supernovas exóticas, destacam-se duas categorias: as supernovas superluminosas e as supernovas eternamente luminosas. As supernovas superluminosas exibem uma luminosidade aproximadamente 100 vezes maior do que a de supernovas típicas, que geralmente mantêm seu brilho por apenas algumas semanas a alguns meses.
Em contraste, as supernovas eternamente luminosas podem manter sua luminosidade por vários anos ou até mais. O que é ainda mais surpreendente é que certas supernovas exóticas exibem flutuações irregulares e intermitentes no brilho, lembrando erupções semelhantes a fontes. Essas supernovas peculiares podem conter a chave para entender os ciclos de vida das estrelas mais massivas do universo.
As origens dessas supernovas exóticas permanecem parcialmente obscuras, mas os astrônomos especulam que elas podem se originar de estrelas massivas não convencionais. Quando estrelas com massas entre 80 e 140 vezes a do Sol se aproximam do final de suas vidas, seus núcleos passam por reações de fusão de carbono.
Durante esse processo, fótons de alta energia podem gerar pares elétron-pósitron, desencadeando pulsações no núcleo e levando a contrações violentas. Essas contrações liberam uma imensa energia de fusão e provocam explosões, resultando em erupções poderosas dentro das estrelas. Essas erupções podem se assemelhar a explosões de supernovas regulares. Além disso, quando materiais de diferentes episódios de erupção colidem, podem gerar fenômenos semelhantes às supernovas superluminosas.
Atualmente, estrelas massivas desse tipo são relativamente raras no universo, o que está de acordo com a escassez de supernovas peculiares. Os cientistas, portanto, presumem que estrelas com massas entre 80 e 140 vezes a do Sol são provavelmente as progenitoras dessas supernovas peculiares. No entanto, as estruturas evolutivas instáveis dessas estrelas apresentam desafios para a modelagem, e os modelos atuais são principalmente limitados a simulações unidimensionais.
No entanto, modelos unidimensionais anteriores mostraram deficiências. As explosões de supernovas geram turbulência significativa, e a turbulência desempenha um papel vital na explosão e na luminosidade das supernovas. Infelizmente, modelos unidimensionais não podem simular com precisão a turbulência a partir dos primeiros princípios. Essas limitações têm dificultado a compreensão abrangente dos mecanismos físicos por trás das supernovas exóticas na astrofísica teórica contemporânea.
A criação de simulações de alta resolução de explosões de supernovas representou desafios substanciais. À medida que a escala das simulações aumentava, manter uma alta resolução se tornava cada vez mais exigente, aumentando consideravelmente a complexidade e as necessidades computacionais, ao mesmo tempo que exigia a consideração de numerosos processos físicos.
Ke-Jung Chen enfatizou que o código de simulação de sua equipe superou grupos concorrentes na Europa e nos Estados Unidos. Simulações relevantes anteriores eram principalmente limitadas a modelos fluidos unidimensionais ou bidimensionais. No entanto, efeitos multidimensionais e radiação desempenham papéis cruciais nas supernovas exóticas, afetando emissões de luz e a dinâmica geral da explosão.
Simulações de hidrodinâmica de radiação envolvem os intrincados processos de propagação da radiação e suas interações com a matéria. A complexidade do transporte de radiação torna esses cálculos excepcionalmente desafiadores, demandando recursos computacionais e experiência muito além do necessário para simulações de fluidos.
No entanto, graças à extensa experiência da equipe em modelagem de explosões de supernovas e na execução de simulações em larga escala, eles conseguiram criar com sucesso as primeiras simulações tridimensionais de hidrodinâmica de radiação de supernovas exóticas do mundo.
As descobertas da equipe de pesquisa revelam que as erupções intermitentes em estrelas massivas podem exibir características semelhantes a múltiplas supernovas menos luminosas. Quando materiais de diferentes episódios de erupção colidem, aproximadamente 20-30% da energia cinética do gás é convertida em radiação, explicando o fenômeno das supernovas superluminosas.
Além disso, o efeito de resfriamento por radiação faz com que o gás expelido forme uma estrutura densa, porém irregular, em forma de folha tridimensional. Essa camada de folha se torna a principal fonte de emissão de luz na supernova. Esses resultados de simulação elucidam eficazmente as características observadas das supernovas exóticas mencionadas anteriormente.
Através de simulações de supercomputador de ponta, este estudo representa um grande avanço na compreensão da física das supernovas exóticas. Com o início de iniciativas de pesquisa de supernovas de próxima geração, os astrônomos estão preparados para detectar mais supernovas exóticas, avançando ainda mais em nossa compreensão das etapas finais das estrelas massivas e seus mecanismos de explosão. [Phys]