Morte de uma estrela é simulada em 3D pela primeira vez

Uma estrela morre em 3D: As imagens mostram a ejeção de alguns elementos na explosão, vistos de diferentes ângulo de visualização - em cima, 350 segundos após a ignição do núcleo e, embaixo 9.000 segundos depois, quando a onda de choque já ultrapassou a superfície estelar. Os elementos estão representados em cores diferentes: carbono (verde), oxigênio (vermelho) e níquel (azul).[Imagem: MPA]

Supernovas

Estrelas gigantes terminam suas vidas em explosões igualmente gigantescas. São as chamadas supernovas, que podem tornar-se - por um curto período de tempo - mais brilhantes do que uma galáxia inteira, que é composta por bilhões de estrelas.

Embora as supernovas venham sendo estudadas teoricamente por meio de modelos de computador há várias décadas, os processos físicos que ocorrem durante essas explosões são tão complexos que até agora os astrofísicos só conseguiam simular partes do processo. E apenas em uma ou duas dimensões.

Simulação 3D de uma supernova

Agora, pesquisadores do Instituto Max Planck de Astrofísica, na Alemanha, fizeram a primeira simulação em computador totalmente tridimensional, cobrindo o colapso do núcleo de uma supernova ao longo de um período de várias horas após o início da explosão.

Com isto, eles conseguiram esclarecer o surgimento das assimetrias que emergem do fundo do núcleo denso durante a fase inicial da explosão e dobram-se em heterogeneidades observáveis durante a explosão da supernova.

Supernova na Via Láctea

Embora a grande energia da explosão de uma supernova torne-a visível a grandes distâncias pelo Universo, elas são relativamente raras. Em uma galáxia do tamanho da nossa Via Láctea, em média, apenas uma supernova ocorre a cada 50 anos.

Cerca de vinte anos atrás, uma supernova pôde ser vista até mesmo a olho nu. A SN 1987A surgiu na Nebulosa da Tarântula, na Grande Nuvem de Magalhães, nossa galáxia vizinha. Essa proximidade relativa - "apenas" cerca de 170.000 anos-luz de distância - permitiu muitas observações detalhadas em diferentes bandas de comprimento de onda ao longo de semanas e até meses.

Projéteis de níquel

Uma das descobertas surpreendentes e inesperadas na supernova SN 1987A, e verificada em outras supernovas subsequentes, foi o fato de o níquel e o ferro - elementos pesados que se formam perto do centro da explosão - misturam-se em grandes aglomerados ejetados para além do envoltório de hidrogênio da estrela.

Verdadeiros projéteis de níquel foram observados propagando-se a velocidades de milhares de quilômetros por segundo, muito mais rápido do que o hidrogênio e do que o previsto por cálculos hidrodinâmicos em uma dimensão (1D) - ou seja, que foram estudados verificando-se apenas o perfil de expansão radial, do centro para fora.
Simulação tridimensional da explosão da supernova 0,5 segundo após a ignição do núcleo. A superfície azulada, quase transparente, é a onda de choque frontal, com um raio médio de 1.900 km. [Imagem: MPA]

Na verdade, descobriu-se que a evolução do brilho (a chamada curva de luz) da SN 1987A e das demais supernovas de colapso de núcleo, só podia ser compreendida se grandes quantidades de material pesado do núcleo (em particular níquel radioativo) fossem misturadas no envelope estelar externo, e elementos leves (hidrogênio e hélio) fossem levados para dentro do núcleo.

Simulações posteriores em duas dimensões (2D, ou seja, com a suposição de simetria axial) realmente mostraram que a estrutura esférica do envoltório da estrela é destruído durante a explosão, gerando uma mistura de material em larga escala.

Supernovas de colapso de núcleo

Mas o mundo real é tridimensional e nem todos os aspectos observados podiam ser reproduzidos pelos modelos 2D.

Os novos modelos de computador feitos pelos cientistas alemães agora mostram pela primeira vez a ruptura completa em três dimensões, desde o primeiro milissegundo após a explosão começar no interior do núcleo, até três horas depois, quando o choque irrompe da estrela progenitora.

"Nós descobrimos desvios substanciais em nossos modelos 3D em relação aos trabalhos anteriores em 2D", diz Nicolay Hammer, o principal autor do trabalho, "especialmente diferenças no crescimento das instabilidades e na propagação dos aglomerados. Não são apenas pequenas variações, o efeito determina a evolução de longo prazo e, em última instância, o grau de mistura e aparência observável das supernovas de colapso de núcleo."

As simulações estão muito mais de acordo com os dados observados da SN 1987A, sobretudo a velocidade das massas de matéria arremessadas ao espaço.

"Embora acreditemos que as diferenças entre os modelos 2D e o novo modelo 3D sejam provavelmente genéricas, muitas características [de outras supernovas] dependerão fortemente da estrutura da estrela progenitora, da energia total e da assimetria inicial da explosão," prevê Thomas Janka, coautor do estudo.

Fonte:Inovação Tecnológica
Bibliografia:
Three-dimensional simulations of mixing instabilities in supernova explosions
N.J. Hammer, H.-Th. Janka, E. Müller
Astrophysical Journal
May 2010

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