Etiquetas

, , , ,

Artículo publicado por Kimm Fesenmaier el 30 de noviembre de 2015 en Caltech

Cuando ciertas estrellas masivas agotan todo su combustible y colapsan sobre sus núcleos, tienen lugar explosiones de 10 a 100 veces más brillantes que las supernovas medias. Cómo sucede esto exactamente no es algo que se comprenda por completo. Astrofísicos de Caltech, la UC Berkeley, el Instituto Albert Einstein, y el Instituto Perimeter para Física Teórica han usado el supercomputador Blue Waters de la Fundación Nacional de Ciencia para realizar simulaciones en 3D y llenar un importante hueco en nuestra comprensión de qué dirige estos estallidos.

Visualización del campo magnético

Visualización del campo magnético Crédito: Mösta et al./Nature

Los investigadores informan de sus conclusiones en la publicación avanzada en línea del 30 de noviembre de la revista Nature. El autor principal del artículo es Philipp Mösta, que empezó el trabajo mientras era becario de posdoctorado en Caltech y ahora trabaja como becario NASA Einstein en la UC Berkeley.

Estas explosiones tremendamente brillantes aparecen en dos variedades — algunas son un tipo de supernova energética, conocida como hipernova, mientras que otras son estallidos de rayos gamma (GRBs). Ambas están dirigidas por chorros focalizados que se forman en algunos núcleos de estrellas colapsadas. En el caso de los GRBs, los propios chorros escapan de la estrella tan cerca de la velocidad de la luz que emiten potentes haces de luz extremadamente energéticos, conocidos como rayos gamma. Los ingredientes necesarios para crear tales chorros son una rotación rápida y un campo magnético que es mil billones de veces más potente que el campo magnético de la Tierra.

En el pasado, los científicos han simulado la evolución de estrellas masivas desde el colapso hasta la producción de estas explosiones teniendo en cuenta como factores unos campos magnéticos irrealmente grandes en sus modelos — sin explicar cómo podría generarse. Pero, ¿cómo podría existir en la naturaleza unos campos magnéticos lo bastante grandes como para alimentar estas explosiones?

“Esto es lo que estamos tratando de comprender con este estudio”, comenta Luke Roberts, becario NASA Einstein en Caltech y coautor del artículo. “¿Cómo puedes empezar con un campo magnético esperable para una estrella masiva que va a colapsar — o, al menos, un campo magnético inicial que es mucho más débil que el requerido para alimentar estas explosiones — y acumular la suficiente fuerza para colimar un chorro y crear una supernova dirigida por chorro?”.

Durante más de 20 años, la teoría ha sugerido que el campo magnético interior – la mayor parte de las regiones de una estrella masiva que ha colapsado, también conocida como protoestrella de neutrones, podría ser amplificada por una inestabilidad en el flujo de su plasma si el núcleo giraba rápidamente, provocando que su borde exterior girase más rápidamente que su centro. Sin embargo, ningún modelo previo podía demostrar que este proceso pudiese aumentar la fuerza de un campo magnético hasta el punto necesario para colimar un chorro, en gran parte debido a que estas simulaciones carecían de la resolución necesaria para resolver dónde se desestabilizaba el flujo.

Mösta y sus colegas desarrollaron una simulación del núcleo de una estrella colapsada y de rotación rápida, y lo escalaron de forma que pudiese ejecutarse en el supercomputador Blue Waters, una potente máquina patrocinada por la Fundación Nacional de Ciencia y situada en el Centro Nacional para Aplicaciones de Supercomputación en la Universidad de Illinois. Blue Waters es famoso por su capacidad de proporcionan un cálculo mantenido de alto rendimiento para problemas que generan grandes cantidades de información. La simulación de mayor resolución del equipo necesitó 18 días completos para completarse en aproximadamente 130 000 procesadores para simular apenas 10 milisegundos de la evolución del núcleo.

Finalmente, los investigadores pudieron simular la conocida como inestabilidad magnetorrotacional responsable de la amplificación del campo magnético. Vieron – como predice la teoría — que la inestabilidad crea pequeñas zonas con un intenso campo magnético distribuido de forma caótica a través del núcleo de la estrella colapsada.

“Sorprendentemente, encontramos un proceso de dinamo que conecta estas zonas para crear una estructura de mayor tamaño y ordenada”, explica David Radice, becario Walter Burke en Caltech y coautor del artículo. Un antiguo tipo de generador eléctrico conocido como dinamo producía una corriente haciendo rotar bobinas electromagnéticas dentro de un campo magnético. De forma similar, las dinamos astrofísicas generan corrientes cuando los fluidos hidromagnéticos de los núcleos estelares rotan bajo la influencia de sus campos magnéticos. Esas corrientes pueden entonces amplificar los campos magnéticos.

“Encontramos que este proceso es capaz de crear campos a gran escala — del tipo que se requieren para alimentar los chorros”, comenta Radice.

Los investigadores también señalan que los campos magnéticos que crearon en sus simulaciones son similares en fuerza a los observados en magnetares — estrellas de neutrones (un tipo de remanente estelar) con campos magnéticos extremadamente potentes. “Se necesita de miles a millones de años para que una protoestrella de neutrones se convierta en una estrella de neutrones, y no hemos simulado eso aún. Pero si pudieses transportar en el tiempo esto miles o millones de años adelante, tendrías un potente campo magnético, suficiente para explicar las fuerzas magnéticas de un magnetar”, comenta Roberts. “Esto podría explicar parte de los magnetares, o una clase concreta de supernovas muy brillantes que se cree que alimentan un magnetar giratorio desde su centro”.

Anuncios