Las supernovas extremadamente brillantes, llamadas hipernovas, se han relacionado con explosiones de rayos gamma, pero los teóricos han luchado por explicar cómo una estrella masiva en colapso podría producir un campo magnético un millón de billones de veces mayor que el del sol, que es necesario para soplarfuera de las porciones externas de la estrella y acelerar las partículas cargadas a las velocidades necesarias para producir rayos gamma. Una nueva simulación de supercomputadora muestra cómo sucede esto.
Una simulación de supercomputadora de solo 10 milisegundos en el colapso de una estrella masiva en una estrella de neutrones demuestra que estos eventos catastróficos, a menudo llamados hipernovas, pueden generar los enormes campos magnéticos necesarios para explotar la estrella y disparar ráfagas de rayos gamma visiblesal otro lado del universo.
Los resultados de la simulación, publicados en línea el 30 de noviembre antes de la publicación en la revista Naturaleza demuestre que a medida que una estrella giratoria se colapsa, la estrella y su campo magnético adjunto giran más y más rápido, formando una dinamo que acelera el campo magnético a un millón de billones de veces el campo magnético de la Tierra.
Un campo tan fuerte es suficiente para enfocar y acelerar el gas a lo largo del eje de rotación de la estrella, creando dos chorros que en última instancia pueden producir explosiones dirigidas de manera opuesta de rayos gamma altamente energéticos.
Los primeros generadores eléctricos fueron dinamos, generando corriente a medida que los cables giraban a través de un campo magnético. Las dinamos estelares generan corrientes eléctricas a medida que los campos magnéticos se mueven a través del espacio, mientras que las corrientes a su vez aumentan el campo magnético, lo que resulta en un circuito de retroalimentación que produce un monstruo magnéticocampos.
"Una dinamo es una forma de tomar las estructuras magnéticas a pequeña escala dentro de una estrella masiva y convertirlas en estructuras magnéticas cada vez más grandes necesarias para producir hipernovas y estallidos de rayos gamma largos", dijo Philipp Mösta, becario postdoctoral de UC Berkeleyy primer autor del artículo "Eso inicia el proceso"
"La gente había creído que este proceso podría funcionar", dijo. "Ahora en realidad lo mostramos".
La clave de este éxito fue una simulación por computadora con mayor detalle que nunca antes, aunque una que requería 130,000 núcleos de computadora operando en paralelo durante un lapso de dos semanas en Blue Waters, una de las supercomputadoras más poderosas del mundo. Está ubicadaen el Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.
Las hipernovas producen elementos pesados
Astrofísicos como Mösta están tratando de mejorar sus modelos de lo que hacen las estrellas cuando llegan al final de sus vidas, con la esperanza de explicar fenómenos cósmicos extraños, como explosiones de rayos gamma e hipernovas que destellan 10 veces más brillante que la supernova promedio.y entender cómo se hacen algunos de los elementos muy pesados que se encuentran en la naturaleza.
"Ahora tenemos el primer modelo prototipo que nos permite hacer la pregunta: ¿Cómo se hacen los elementos pesados en estas poderosas explosiones de supernova?", Dijo Eliot Quataert, profesor de astronomía de UC Berkeley que no participó en el estudio.
"El avance aquí es que el equipo de Philipp parte de un campo magnético relativamente débil y muestra que se está convirtiendo en un campo magnético coherente muy fuerte y a gran escala del tipo que generalmente se supone que existe cuando las personas hacen modelos de gammarayos ", dijo Quataert.
Eventos más brillantes en el universo
Las explosiones de rayos gamma son tan breves y enérgicas, las explosiones largas duran aproximadamente 100 segundos, con longitudes de onda muy alejadas de las bandas visibles o ultravioletas que no fueron observadas hasta 1967 por satélites en busca de evidencia de pruebas de bombas nucleares.miles de millones de años luz de distancia en galaxias distantes, por lo que el hecho de que podamos verlos significa que se encuentran entre los eventos más brillantes del universo.
Las observaciones en los últimos 50 años han llevado a los astrónomos a proponer que las explosiones se produzcan durante las explosiones extremadamente raras de estrellas masivas estrellas 25 veces la masa del sol o más grandes, pero los detalles de cómo se genera esa hipernova enfocadalos rayos de rayos gamma todavía se están trabajando. Estas explosiones estelares se clasifican típicamente como supernovas de línea ancha de tipo Ic.
Se cree que los chorros unidos por campos magnéticos ultra fuertes son necesarios para impulsar estas explosiones, dijo Mösta, pero uno de los eslabones perdidos era cómo una estrella con un campo magnético normal, como el del sol, podría amplificarloun cuatrillón 1015 veces. Una posibilidad es que la energía almacenada en la rotación de la estrella colapsada pueda transformarse en energía magnética. Estos fuertes campos magnéticos también pueden ser críticos para ayudar a acelerar las partículas cargadas a una velocidad y energía capaces de generar una gammarayo.
"Esperamos que solo una pequeña fracción de estrellas gire lo suficientemente rápido antes del colapso para explicar los períodos de giro del púlsar de milisegundos", dijo el coautor Christian Ott, profesor de astrofísica teórica en el Instituto de Tecnología de California. "Pero si unla estrella está girando tan rápido, entonces hay mucha energía en la rotación. El problema ha sido cómo extraer eso y arrojarlo a la explosión ".
Creando campos magnéticos ultra fuertes
Una supernova de colapso del núcleo ocurre cuando la fusión de hidrógeno en el núcleo, que alimenta a las estrellas durante la mayor parte de su vida útil, se detiene después de que todo el hidrógeno se agota y la estrella comienza a fusionar helio y luego carbono y oxígeno. Cuando la estrellafinalmente fusiona todos estos elementos en hierro, la fusión se detiene por completo y la presión en el núcleo de la estrella ya no puede soportar el peso gravitacional del material circundante.
Dentro de un segundo, la estrella interna que se extiende a un radio de aproximadamente 1,500 kilómetros se colapsa y se convierte en una estrella de neutrones de aproximadamente 10 a 15 kilómetros de diámetro, que contiene la masa de aproximadamente 1,4 soles. Esto crea una onda de choque que se desplaza hacia afuera y se adentra en el exteriorcapas de la estrella. A medida que la estrella interior se colapsa en una estrella de neutrones, aumenta su giro al igual que los patinadores de hielo giran más rápido a medida que dibujan en sus brazos.
Los teóricos han intentado explicar cómo las estrellas giratorias masivas generan fuertes campos magnéticos después de colapsarse por un proceso llamado inestabilidad magnetorracional: las capas de la estrella giran a diferentes velocidades, creando turbulencias que moldean los campos magnéticos incrustados en un flujo magnético de un kilómetro de anchotubos muy parecidos a destellos magnéticos en el Sol. Pero, ¿puede este proceso generar los campos magnéticos a gran escala necesarios para provocar una explosión?
"Lo que hemos hecho son las primeras simulaciones globales de extremadamente alta resolución de esto que realmente muestran que creas este gran campo global a partir de uno puramente turbulento", dijo Mösta. "Las simulaciones también demuestran un mecanismo para formar magnetares, neutronesestrellas con un campo magnético extremadamente fuerte, que puede estar impulsando una clase particular de supernovas muy brillantes ".
Quataert compara el proceso con la forma en que las turbulencias a pequeña escala en la atmósfera de la Tierra se unen en huracanes a gran escala.
Mösta y sus colegas descubrieron que la clave de este proceso en una estrella de neutrones que gira rápidamente es una zona de cizallamiento a unos 15 a 35 kilómetros de la estrella, donde las diferentes capas giran a velocidades muy diferentes, causando turbulencias lo suficientemente grandes como para crear una dinamo.
Mösta está trabajando en simulaciones que abarcan más de 10 milisegundos de la evolución de la estrella después del colapso, o "post-rebote", para comprender mejor cómo la materia que colapsa y el material que fluye interactúan con los campos magnéticos que giran.
Otros coautores con Mösta y Ott son David Radice y Luke Roberts de Caltech en Pasadena, Erik Schnetter del Perimeter Institute y la Universidad de Guelph en Ontario, Canadá, y Roland Haas del Instituto Max Planck de Física Gravitacional en Potsdam-Golm, Alemania.
Esta investigación fue apoyada por la National Science Foundation AST-1212170, PHY-1151197, OCI-0905046, el Programa de Becas Einstein de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio y la Fundación Sherman Fairchild.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Berkeley . Original escrito por Robert Sanders. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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