Las respuestas a muchas preguntas en astronomía están ocultas detrás del velo del tiempo profundo. Una de esas preguntas es sobre el papel que jugaron las supernovas en el Universo primitivo. El trabajo de las primeras supernovas fue forjar los elementos más pesados ​​que no se forjaron en el Big Bang. ¿Cómo se desarrolló ese proceso? ¿Cómo se desarrollaron esas primeras explosiones estelares?

Un trío de investigadores recurrió a una simulación de supercomputadora para encontrar algunas respuestas.

Sus resultados se presentan en un artículo titulado “Dinámica de gases del calentamiento por desintegración de níquel-56 en supernovas con inestabilidad de pares.” El autor principal es Ke-Jung Chen de la Academia Sínica, Instituto de Astronomía y Astrofísica de Taiwán. El artículo se publica en The Astrophysical Journal.

El trabajo se refiere a un tipo particular de supernova llamada hipernova. Son básicamente supernovas con esteroides. Las hipernovas son aproximadamente 100 veces más poderosas que las supernovas comunes y corrientes, y solo ocurren con estrellas que tienen entre 130 y 250 masas solares.

Los científicos han estudiado mucho las supernovas. Los investigadores entienden cómo funcionan y qué tipos hay. Y saben cómo forjan elementos más pesados ​​que el hidrógeno y el helio y cómo envían esos elementos al Universo cuando explotan. Pero existen lagunas importantes en nuestra comprensión, especialmente en el Universo primitivo.

El trío de investigadores quería investigar las hipernovas, porque creen que podría darles pistas sobre las primeras supernovas que ocurrieron en el Universo y cómo se produjeron los primeros elementos. En el Universo primitivo, las estrellas tendían a ser más masivas, por lo que puede haber habido más hipernovas. Pero las hipernovas son extremadamente raras ahora, y observarlas es problemático. Entonces recurrieron a las simulaciones de supercomputadoras.

Con su simulación, sondearon profundamente en el núcleo de las hipernovas simuladas para ver cómo se veía la estrella en explosión 300 días después de que comenzara la explosión.

Hay dos formas en que se forman las hipernovas: por colapso del núcleo y por inestabilidad del par.

en un colapso del núcleo supernova, una estrella masiva ha llegado al final de su vida y se está quedando sin combustible. A medida que disminuye la fusión, disminuye la presión hacia el exterior de la fusión. Al carecer de presión hacia el exterior, la energía gravitacional de la estrella misma empuja hacia abajo el núcleo. Eventualmente, la energía gravitacional hace que el núcleo colapse y la estrella explota como una supernova. Dependiendo de la masa de la estrella, puede dejar un remanente de estrella de neutrones o un agujero negro.

A supernova de inestabilidad de pares ocurre en estrellas extremadamente masivas con alrededor de 130 a 250 masas solares. Ocurre cuando los electrones y sus contrapartes de antimateria, los positrones, se producen en la estrella. Eso crea inestabilidad en el núcleo de la estrella y reduce la presión de radiación interna que se necesita para soportar una estrella tan masiva contra su propia gravedad enorme. La inestabilidad inicia un colapso parcial, que desencadena una explosión termonuclear fuera de control. Eventualmente, la estrella es destruida por una explosión masiva, sin dejar remanentes.

Para sus simulaciones, el equipo se centró en las supernovas de inestabilidad de pares. Una de las razones de esa elección es la gran cantidad de níquel-56 que pueden crear las supernovas de inestabilidad de pares.

El níquel-56 es un isótopo radiactivo del níquel y juega un papel importante en nuestras observaciones de supernovas. La descomposición de Ni-56 es lo que crea el resplandor de una supernova. Sin ella, una supernova sería simplemente un destello brillante, sin luz persistente.

El equipo utilizó el Observatorio Astronómico Nacional de Japón (NAOJ) Supercomputadora del Centro de Astrofísica Computacional (CfCA) para sus simulaciones. Es una Cray XC50, y cuando comenzó a operar en 2018, era la supercomputadora más rápida del mundo para simulaciones astrofísicas. ¿Podría todo ese poder ayudar a arrojar algo de luz sobre el Universo primitivo?

Según el autor principal Chen, todo el proyecto fue extremadamente desafiante. en un traducido presione soltar, Chen dijo: “Cuanto mayor sea la escala de simulación, para mantener la resolución alta, todo el cálculo se volverá muy difícil y demandará mucha más potencia computacional, sin mencionar que la física involucrada también es complicada”. Para combatirlos, dijo Chen, su mejor ventaja es su “código bien elaborado y una estructura de programa robusta”. El trío de investigadores tiene experiencia en simulaciones a largo plazo de supernovas, por lo que estaban bien posicionados para realizar este trabajo.

Esta no es la primera simulación de una hipernova. Otros investigadores también están interesados ​​en comprenderlos y han realizado sus propias simulaciones. Pero mientras que las simulaciones anteriores duraron 30 días después de la explosión, esta duró 300 días. Una razón clave de esto fue el níquel-56. Resulta que el Ni-56 hace más que crear el resplandor de larga duración de una supernova. Desempeña un papel continuo en la explosión. Para ser exhaustivos, el equipo ejecutó la simulación de tres estrellas progenitoras separadas.

Una hipernova necesita una estrella progenitora extremadamente masiva, a veces de más de 200 masas solares. Esa hipernova puede crear una enorme cantidad de Ni-56. Según el artículo, pueden sintetizar entre 0,1 y 30 masas solares de Ni-56 radiactivo. Y además de crear toda esa luz, el Ni-56 hace otras cosas. En su artículo, los autores escriben que todo ese Ni-56 “también podría generar importantes efectos dinámicos en lo profundo de la eyección que son capaces de mezclar elementos y afectar las firmas de observación de estos eventos”.

El equipo quería investigar la “relación entre el movimiento del gas y la radiación de energía dentro de la supernova”. Descubrieron que en la etapa inicial de la descomposición del Ni-56, el gas calentado se expandió y formó estructuras con capas delgadas.

Al explicar uno de los resultados de la simulación, Chen dijo: “La temperatura dentro de la capa de gas es extremadamente alta, a partir del cálculo entendemos que debería haber ~ 30% de energía utilizada en el movimiento del gas, luego el ~ 70% de energía restante probablemente se convierta en la luminosidad de la supernova. Los modelos anteriores han ignorado los efectos dinámicos del gas, por lo que los resultados de la luminosidad de la supernova se sobreestimaron”.

El documento da más detalles. “Encontramos que la expansión de la caliente 56La burbuja de Ni forma una capa en la base de la capa de silicio de la eyección ~ 200 días después de la explosión, pero no se desarrollan inestabilidades hidrodinámicas que se mezclen 56Ni con el 28Si/dieciséiseyecciones ricas en O. Sin embargo, mientras que los efectos dinámicos de 56El calentamiento de Ni puede ser débil, podría afectar las firmas de observación de algunos PI SNe al desviar la energía de descomposición hacia la expansión interna de la eyección a expensas de volver a brillar en momentos posteriores”.

Esta nueva comprensión de la hipernova de inestabilidad de pares sin duda ampliará nuestro conocimiento del fenómeno. Y podría ser una ayuda para futuras observaciones.

Aunque las hipernovas son raras en nuestra era, puede que no siempre haya sido así. Dado que las hipernovas requieren estrellas muy masivas, y esas estrellas eran más comunes en el Universo primitivo, es lógico pensar que hubo más hipernovas en el pasado.

Pero pronto, es posible que tengamos instrumentos capaces de ver la antigua luz de algunas de esas hipernovas. Los autores escriben que “PI SNe podrían ser los faros cósmicos definitivos porque se pueden detectar en el infrarrojo cercano (NIR) en el amanecer cósmico en z ~ 25 por el Telescopio Espacial James Webb y en épocas posteriores por el Telescopio Espacial Romano Nancy Grace y la próxima generación de telescopios extremadamente grandes”.

Si estos futuros telescopios pueden observar estas primeras hipernovas, entonces estudios como este allanarán el camino para esas observaciones y proporcionarán una vía para comprender algo de lo que vemos.

Fuente: elactual.net