Un modello tridimensionale per le supernovae

This "SWASI" phenomenon is an analogue of the SASI instability occurring in the supernova core, but it is one million times smaller and about one hundred times slower than its astrophysical counterpart. (Image copyrights: Thierry Foglizzo, Laboratoire AIM Paris-Saclay, CEA)

Fenomeno SWASI (Shallow Water Analogue of Shock Instability) analogo all’instabilità SASI (Standing Accrection Shock Instability) nel cuore di una supernova. (Photocredit: Thierry Foglizzo, Laboratoire AIM Paris-Saclay, CEA).

Un team di ricercatori del Max Planck Institute for Astrophysics ha condotto delle simulazioni al computer per studiare la formazione delle stelle di neutroni con una precisione senza precedenti. Questi primi modelli tridimensionali mostrano in modo dettagliato tutti gli effetti fisici coinvolti, confermando la natura asimmetrica del processo e i movimenti a spirale si verificano quando la materia stellare cade verso il centro. I risultati delle simulazioni sembrano aiutarci a rispondere ad una domanda per certi aspetti cruciale: come può l’implosione del nucleo stellare essere invertita in un’esplosione? 

Le stelle con una massa di oltre otto/dieci volte quella del Sole finiscono la loro vita in una gigantesca esplosione, in cui il gas stellare viene espulso nello spazio circostante con una violenza senza precedenti. Le supernovae sono, infatti, i fenomeni più energetici e più brillanti dell’Universo e possono eclissare un’intera galassia per settimane. Sono, tra l’altro, l’origine cosmica di elementi chimici come il carbonio, l’ossigeno, il silicio e il ferro, di cui siamo fatti noi e il nostro pianeta, allevati per milioni di anni in stelle supermassicce.

Le supernovae sono anche una vera e propria culla per le stelle di neutroni, corpi celesti straordinariamente esotici: si tratta di resti stellari compatti di circa 1,5 volte la massa del nostro Sole ma compressi in una sfera con un diametro paragonabile a quello di una città come Monaco. L’esplosione dura una frazione di secondo: il nucleo stellare implode a causa della forte gravità che continua a comprimerne la massa. Il crollo catastrofico viene arrestato solo quando la densità dei nuclei atomici – nell’ordine di 300 milioni di tonnellate in una zolletta di zucchero – è stato superato.

Cosa provoca questo fenomeno? Come può l’implosione del nucleo stellare essere invertita in un’esplosione? I processi esatti sono ancora oggetto di studio.  Secondo lo scenario oggi in voga, i neutrini vi giocherebbero un ruolo cruciale. Queste particelle vengono, infatti, prodotte e irradiate in numero ingente quando si raggiungono temperature estreme e la densità del nucleo stellare collassa in una stella di neutroni. In questo scenario i neutrini innescherebbero l’esplosione, riscaldando il gas che circonda la stella di neutroni e, di conseguenza, aumentandone la pressione. Giunti al limite, un’onda d’urto viene accelerata e sfocia in una supernova. Questo è lo schema, in sintesi: bisogna capire se funziona davvero come modello esplicativo del meccanismo (ancora enigmatico) che governa l’esplosione.

Purtroppo i processi che interessano il nucleo stellare non possono essere simulati in laboratorio. La ricerca è quindi fortemente dipendente dalle simulazioni dei computer più sofisticati, grazie a cui vengono risolte le equazioni matematiche complesse che descrivono i processi fisici che si verificano in condizioni estreme, quali il collasso dei nuclei stellari. Tuttavia, anche se tentassimo di includere gli effetti dei neutrini, le simulazioni al computer possono essere eseguite solo in due dimensioni, il che significa che, nei modelli, si suppone che la stella mantenga una simmetria di rotazione attorno ad un asse artificiale.

Ora, grazie al sostegno della Rechenzentrum Garching (RZG), la Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE) – un’iniziativa della Comunità Europea coordinata dai ricercatori del Max Planck Institute for Astrophysics (MPA) a Garching – potrebbe per la prima volta simulare tridimensionalmente i processi di collasso. Solo i due centri di calcolo in Europa sono stati in grado di fornire macchine sufficientemente potenti per lunghi periodi di tempo, vale a dire il CURIE a Très Grand Centre de calcul (TGCC) du CEA nei pressi di Parigi, e  il SuperMUC presso il Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) a Monaco di Baviera/Garching.

Turbulent evolution of a neutron star for six moments (0.154, 0.223, 0.240, 0.245, 0.249 and 0.278 seconds) after the beginning of the neutron star formation in a threedimensional computer simulation. The mushroom-like bubbles are characteristic of "boiling" neutrino-heated gas, whereas simultaneously the "SASI" instability causes wild sloshing and rotational motions of the whole neutrino-heated layer (red) and of the enveloping supernova shock (blue) . (Images by Elena Erastova and Markus Rampp, RZG)

Immagine della rapida evoluzione di una stella di neutroni. (Cortesia di Elena Erastova and Markus Rampp, RZG).

L’immagine a lato mostra cosa è stato possibile osservare. Il gas gorgoglia e ribolle quasi a formare grandi bolle gassose per poi subire violente scosse e rotazioni (il fenomeno è conosciuto come Standing Accretion Shock Instability, o SASI).  Questo termine esprime il fatto che la sfericità iniziale dell’onda d’urto della supernova è rotta spontaneamente in asimmetrie pulsanti che rappresentano i momenti della crescita dei residui stellari. Questo modello semplificato è stato ora approfondito con quello che tecnicamente si chiama SWASI (Shallow Water Analogue of Shock Instability). Senza tenere conto dell’instabilità derivante dall’apporto dei neutrini, questo modello spiega in modo abbastanza preciso il collasso della stella.

I ricercatori hanno ora intenzione di esplorare più in dettaglio gli effetti misurabili connessi alla SASI e di affinare le proprie previsioni di segnali associati. Non solo per quanto riguarda i movimenti di massa nel nucleo della supernova ma per cercare le firme caratteristiche dei neutrini e le correlative emissioni di onde gravitazionali.

Papers di riferimento:

Hanke F., et alii.,”SASI Activity in Three-Dimensional Neutrino-Hydrodynamics Simulations of Supernova Cores“, in Astrophysical Journal 770, 66 (2013); http://arxiv.org/abs/1303.6269.

Foglizzo T., et alii., Shallow Water Analogue of the Standing Accretion Shock Instability: Experimental Demonstration and a Two-Dimensional Model“, in Physical Review Letters 108, 051103 (2012); http://arxiv.org/abs/1112.3448.

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