Investigadores de la Universidad Estatal de Michigan están utilizando Mira para realizar simulaciones tridimensionales a gran escala de los momentos finales del ciclo de vida de una supernova. Si bien el enfoque de simulación tridimensional está todavía en su infancia, los primeros resultados indican que los modelos están proporcionandouna imagen más clara que nunca de los mecanismos que impulsan las explosiones de supernovas.
En la emblemática serie de televisión "Cosmos", el astrónomo Carl Sagan proclamó: "Estamos hechos de estrellas".
Al final de sus ciclos de vida, estas estrellas masivas explotan de manera espectacular, esparciendo sus entrañas, que consisten en carbono, hierro y básicamente todos los demás elementos naturales, por todo el cosmos. Estos elementos continúan formando nuevas estrellas,sistemas solares y todo lo demás en el universo, incluidos los componentes básicos de la vida en la Tierra.
A pesar de este papel fundamental en la cosmología, los mecanismos que impulsan las explosiones de supernovas aún no se comprenden bien.
"Si queremos comprender la evolución química de todo el universo y cómo la materia de la que estamos hechos se procesó y distribuyó en todo el universo, tenemos que comprender el mecanismo de la supernova", dijo Sean Couch, profesor asistente de físicay astronomía en la Universidad Estatal de Michigan.
Para arrojar luz sobre este complejo fenómeno, Couch está liderando un esfuerzo para usar Mira, la supercomputadora de 10 petaflops de Argonne Leadership Computing Facility ALCF, para llevar a cabo algunas de las simulaciones en 3D más grandes y detalladas jamás realizadas de núcleos-collapse supernovas. La ALCF es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU..
Después de millones de años de quemar elementos cada vez más pesados, estas estrellas supergigantes al menos ocho masas solares, u ocho veces la masa del sol finalmente se quedan sin combustible nuclear y desarrollan un núcleo de hierro. Ya no puedenapoyarse contra su propia inmensa atracción gravitacional, comienzan a colapsar. Pero interviene un proceso, aún no entendido del todo, que revierte el colapso y hace que la estrella explote.
"Lo que los teóricos como yo están tratando de entender es ese paso intermedio", dijo Couch. "¿Cómo pasamos de este núcleo de hierro colapsando a una explosión?"
A través de su trabajo en el ALCF, Couch y su equipo están desarrollando y demostrando un enfoque de simulación tridimensional de alta fidelidad que proporciona una visión más realista de este "paso intermedio" que las simulaciones de supernovas anteriores.
Si bien este método 3-D aún está en su infancia, los primeros resultados de Couch han sido prometedores. En 2015, su equipo publicó un artículo en Astrophysical Journal Letters, detallando sus simulaciones 3D de los últimos tres minutos de crecimiento del núcleo de hierro.en una estrella de 15 masas solares. Descubrieron que las representaciones más precisas de la estructura de la estrella y el movimiento generado por la convección turbulenta medido a varios cientos de kilómetros por segundo juegan un papel importante en el punto de colapso.
"No es sorprendente que estemos demostrando que las condiciones iniciales más realistas tienen un impacto significativo en los resultados", dijo Couch.
Añadiendo otra dimensión
A pesar del hecho de que las estrellas giran, tienen campos magnéticos y no son esferas perfectas, la mayoría de las simulaciones de supernovas 1-D y 2-D hasta la fecha han modelado estrellas no giratorias, no magnéticas y esféricamente simétricas. Los científicos se vieron obligados a tomar estoenfoque simplificado porque modelar supernovas es una tarea extremadamente exigente desde el punto de vista computacional. Tales simulaciones implican cálculos multifísicos muy complejos y escalas de tiempo extremas: las estrellas evolucionan durante millones de años, pero el mecanismo de la supernova ocurre en un segundo.
Según Couch, trabajar con condiciones iniciales poco realistas ha llevado a dificultades para desencadenar explosiones robustas y consistentes en simulaciones, un desafío de larga data en astrofísica computacional.
Sin embargo, gracias a los avances recientes en hardware y software de computación, Couch y sus colegas están logrando avances significativos hacia simulaciones de supernovas más precisas mediante el empleo del enfoque 3-D.
La aparición de supercomputadoras a petaescala como Mira ha hecho posible incluir tratamientos de rotación de alta fidelidad, campos magnéticos y otros procesos físicos complejos que no eran factibles en el pasado.
"Generalmente, cuando hemos realizado este tipo de simulaciones en el pasado, hemos ignorado el hecho de que existen campos magnéticos en el universo porque cuando los agregas a un cálculo, aumenta la complejidad en aproximadamente un factor de dos,", Dijo Couch." Pero con nuestras simulaciones en Mira, estamos encontrando que los campos magnéticos pueden agregar un pequeño impulso adicional en el momento justo para ayudar a empujar la supernova hacia la explosión ".
En el lado del software, Couch continúa colaborando con científicos computacionales de ALCF para mejorar el código FLASH de código abierto y su capacidad para simular supernovas.
Pero incluso con el hardware y software de computación de alto rendimiento de hoy en día, todavía no es factible incluir tratamientos de alta fidelidad de toda la física relevante en una sola simulación; eso requeriría un futuro sistema de exaescala, dijo Couch.
"Nuestras simulaciones son solo un primer paso hacia simulaciones tridimensionales verdaderamente realistas de supernovas", dijo. "Pero ya están proporcionando una prueba de principio de que los minutos finales de una evolución masiva de estrellas pueden y deben ser simuladosen 3-D. "
Los resultados del equipo se publicaron en Cartas de revistas astrofísicas en un artículo de 2015 titulado "La evolución tridimensional al colapso del núcleo de una estrella masiva". El estudio también utilizó recursos informáticos del Centro de Computación Avanzada de Texas de la Universidad de Texas en Austin.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Argonne . Original escrito por Jim Collins. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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