Usando un código de simulación conocido como el Maestro, los investigadores simulan la velocidad radial de las superficies de una supernova tipo Ia, acercándose al punto de ignición. Sólo el interior (1000 km3) se muestra en esta imagen. (Crédito: Imagen cortesía de DOE / Lawrence Berkeley National Laboratory)En un artículo que será publicado en la edición de octubre de Astrophysical Journal, Ann Almgren, John Bell y Andy Nonaka, de la División de Investigación Computacional del Laboratorio de Berkeley, con Mike Zingale, de la Universidad de Stony Brook y Stan Woosley, de la Universidad de California, Santa Cruz, describen la primera simulación estelar tridimensional de convección completa en una enana blanca, que conduce a la ignición de una supernova de tipo Ia. El proyecto fue financiado por la Oficina de Ciencia del DOE.
Las supernovas tipo Ia son de particular interés para los astrofísicos ya que actualmente se cree que todas son sorprendentemente similares entre sí, dando lugar a su uso como "candelas estándar" que los científicos usan para medir la expansión del universo. Basándose en las observaciones de estas explosiones estelares -una sola supernova es tan brillante como una galaxia entera- los científicos creen que nuestro universo se está expandiendo a un ritmo acelerado. Pero ¿y si las supernovas de tipo Ia no siempre han explotado en la misma manera? ¿Y si no son estándar?
"Estamos tratando de entender algo muy fundamental, que es como estas estrellas estallan, lo que tiene implicaciones para el destino del universo", Almgren dijo.
El problema es que los astrofísicos todavía no sabemos exactamente cómo explota una estrella de este tipo. Con los años, varias simulaciones han tratado de responder al problema, pero los métodos tradicionales y la potencia de supercomputación disponibles no han sido suficientes hasta hoy para la tarea.
"Pocos han abordado este problema antes porque se consideraba intratable", dijo Almgren. "Necesitábamos simular las condiciones a lo largo de varias horas y no sólo de unos pocos segundos. Ahora estamos haciendo los cálculos que antes no eran posibles".
Durante los últimos tres años, Almgren, Bell y Nonaka, junto con sus colaboradores, han estado desarrollando un código de simulación conocido como el MAESTRO. El código simula el flujo de masa y calor en toda la estrella en el tiempo, y requiere de las supercomputadoras para los modelos de la estrella completa. Esto es solo cuando es destinado a procesos que ocurren a una velocidad mucho menor que la velocidad del sonido, lo que permite que la simulación produzca resultados detallados utilizando mucho menos tiempo de supercomputación que los códigos tradicionales. Lo que hace que el enfoque de MAESTRO sea diferente de los métodos tradicionales es que las ondas de sonido han sido eliminadas, lo que permite que el código se ejecute mucho más eficientemente.
El equipo realizó sus simulaciones en Jaguar, una supercomputadora Cray XT4 en las Instalaciones Centrales de Computación en Oak Ridge, Tennessee, con una asignación en virtud del Programa de Impacto Computacional Nuevo e Innovador sobre la Teoría y los Experimentos (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment, INCITE ).
"La asignación de INCITE en Jaguar fue crucial para alcanzar el éxito que condujo a estos resultados pioneros", dijo Woosley, líder del proyecto de supernova en SciDAC, Scientific Discovery through Advanced Computing (Descubrimiento Científico a través de la Computación Avanzada), que ha propiciado colaboraciones de éxito como ésta entre los matemáticos aplicados y los astrofísicos. "Y el apoyo permanente del Departamento de Energía de la Oficina de la ciencia es fundamental para avanzar en nuestra investigación".
La simulación proporciona una visión valiosa del final de un proceso que se inicia varios miles de millones de años antes. Una supernova de tipo Ia empieza como una enana blanca, el remanente compacto de una estrella de baja masa que nunca estuvo lo suficientemente caliente como para fusionar el carbono y el oxígeno. Sin embargo, si otra estrella está lo suficientemente cerca, la enana blanca puede comenzar a tomar masa ( "acreción") de su vecina hasta que llega a un límite crítico, conocido como la masa de Chandrasekhar. Finalmente, con suficiente calor y presión acumulados la estrella comienza a hervir a fuego lento, un proceso que dura varios siglos. Durante esta fase, a fuego lento, el líquido cerca del centro de la estrella se vuelve más caliente y más boyante, y la flotabilidad de convección aleja el calor del centro. Durante las últimas horas la convección no puede mover el calor lejos del centro con suficiente rapidez, y la estrella se calienta más rápido. El flujo del fluido se vuelve más fuerte y más turbulento, pero aun así, en algún punto o puntos de la estrella, la temperatura llega finalmente a aproximadamente 1.000.000.000 de grados Kelvin, y se inflama. Un frente abrasador se mueve a través de la estrella, primero lentamente, pero ganando velocidad a medida que se aleja. El pasaje de la ignición a la explosión es sólo una cuestión de segundos.
Las simulaciones del equipo muestran que en las primeras etapas, el movimiento del líquido se presenta como remolinos al azar. Pero como la calefacción en el centro de la estrella aumenta, el flujo de convección se mueve claramente en el núcleo de la estrella de un lado al otro, en base a un patrón conocido como dipolo. Pero el flujo también es cada vez más turbulento, con la orientación del dipolo rebotando dentro de la estrella. Mientras que otros también han visto este modelo dipolar, la simulaciones utilizando MAESTRO son las primeras que han capturado la estrella completa en tres dimensiones.
Esto, según el documento escrito por el equipo, podría ser una pieza fundamental en nuestra comprensión de cómo ocurre la explosión final. "Como los cálculos se han vuelto más sofisticadas, sólo se ha vuelto más claro que el resultado de la explosión es extremadamente sensible a exactamente cómo se iniciaron los frentes de quemado".
"Como se desprende de la amplia gama de resultados de la explosión en la literatura sobre el tema, las condiciones iniciales reales son una parte crítica del modelado SNE Ia. Solo las simulaciones de esta fase de convección pueden dar el número, tamaño y distribución de los puntos inicial de calor que generan la llama", escribió el equipo en su paper. "Además, las velocidades iniciales turbulentas en la estrella son al menos tan grandes como la velocidad de combustión; así, representar con exactitud este flujo inicial puede ser un componente importante de los modelos de explosión".
Almgren y Nonaka advierten contra confiar demasiado en los resultados de un solo cálculo. Aunque el trabajo descrito en este paper -es el cuarto que han publicado en el Astrophysical Journal sobre MAESTRO- es un paso importante hacia la comprensión de este problema, se necesita más trabajo para tener confianza en los resultados. "Tenemos que explorar los efectos de la rotación, de la resolución, y de diferentes composiciones iniciales de la estrella", dice Zingale. "Pero con MAESTRO ahora y corriendo en las supercomputadoras más rápidas de hoy en día, estamos bien en nuestro camino."
Traducido de:
Computer Code Gives Astrophysicists First Full Simulation Of Star's Final Hours
Más información en:
• Berkeley Lab Scientists' Computer Code Gives Astrophysicists First Full Simulation of Star's Final Hours
• Premian un video sobre la visualización científica de una explosión de supernova tipo Ia
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