Sebbene i campi magnetici intensi siano stati a lungo considerati la causa delle supernove più potenti, gli astrofisici hanno creato un modello computerizzato del campo magnetico, dimostrando cosa sta accadendo all'interno di una stella morente prima che si trasformi in un mostro spaziale.
Quando le stelle massicce muoiono, esplodono. Ma a volte, tali stelle esplodono molto forte e producono una delle più potenti esplosioni nell'Universo osservabile.
Quando una stella massiccia esaurisce la sua riserva di combustibile a idrogeno, la forte gravità all'interno del nucleo provoca una graduale fusione dei suoi elementi più massicci. Su scala cosmica, questo processo è veloce. Ma non appena si verifica la fusione con il ferro, il processo si interrompe bruscamente. La reazione termonucleare nel nucleo si ferma e la forza di gravità cerca di distruggerla completamente.
Entro un solo secondo, il nucleo della stella viene bruscamente compresso e diminuisce di diametro da 1.000 a 10 miglia, il che porta alla comparsa di onde d'urto davvero gigantesche, che, di conseguenza, fanno a pezzi la stella. In breve, accade quanto segue: la stella esaurisce carburante, compressione, onde d'urto, massiccia esplosione. Tutto ciò che ne rimane è una nube di gas caldo in rapida espansione e una piccola stella di neutroni che gira rapidamente nel luogo in cui si trovava il nucleo.
Questo modello è comprensibile e adatto a spiegare come muoiono le stelle massicce. Ma a volte, negli angoli più remoti dell'universo, gli astronomi notano esplosioni di stelle il cui potere supera di gran lunga quello che può essere spiegato dai tradizionali modelli di supernova. Tali esplosioni sono chiamate esplosioni di raggi gamma e si ritiene che il loro aspetto sia causato da una speciale razza di supernova, l'ipernova. Oltre al fatto che Hypernova prende il nome da un cattivo di un film basato sui fumetti Marvel, è anche l'epitome dell'intensità magnetica. Il crollo del nucleo di una stella massiccia non solo porta ad un rapido aumento della sua densità. La stella continua a ruotare e, come un pattinatore, che si preme le mani su se stessa mentre ruota, il nucleo collassante della stella che collassa inizia a "srotolarsi" rapidamente. Insieme alla rotazione, le correnti turbolente nelle emissioni di plasma surriscaldato e il campo magnetico della stella diventano estremamente concentrate.
Stella di Hypernova, formando 2 raggi gamma (secondo l'artista)
Fino ad ora, gli effetti causati dal collasso del nucleo di supernova erano considerati sufficientemente ben studiati - in teoria, ma confermati dalle osservazioni di supernovae. Ma il meccanismo dell'ipernova (e della gamma-burst) non è stato studiato fino a questo momento.
Utilizzando simulazioni su uno dei più potenti supercomputer del pianeta, un team internazionale di ricercatori ha creato un modello di nucleo ipernova durante un collasso, una frazione di secondo dopo l'esplosione. E ciò che hanno scoperto può aiutare a svelare il mistero delle esplosioni di raggi gamma.
Si ritiene che l'alta energia delle esplosioni di raggi gamma sia causata da qualcosa che si verifica nel nucleo di una stella massiccia durante il suo collasso e la trasformazione in una supernova. Qualcosa che espelle la materia e l'energia in direzioni opposte, formando due getti altamente concentrati (o collimati) che scoppiano dai poli magnetici di una supernova. Questi getti sono così intensi che se uno di loro è diretto verso la Terra, allora la radiazione che emana da esso darà l'impressione che sia causata da un'esplosione molto più forte dell'esplosione di una supernova ordinaria. "Abbiamo cercato di trovare il meccanismo di base, lo strumento principale, e scoprire perché il collasso di una stella può portare alla formazione di tali getti", ha detto Eric Schnetter dell'Istituto di fisica teorica di Waterloo, Ontario, che ha sviluppato un modello per la creazione di un simulatore del morente stelle.
Per capire perché questi getti sono così potenti, immagina un bastone di dinamite che è stato posato a terra e una palla di cannone è stata posizionata sopra. Quando la dinamite esplode, ci sarà un forte scoppio e forse ne resterà un piccolo fumaiolo. Ma è improbabile che la palla di cannone voli lontano. Molto probabilmente, un piccolo salto e scivolo nell'imbuto. Ma se metti la stessa dinamite in un tubo di metallo, chiudi un'estremità e fai rotolare una palla di cannone all'aperto - durante l'esplosione tutta l'energia sarà concentrata all'estremità aperta del tubo, e il nucleo volerà via per centinaia di metri.
Per analogia con la dinamite, la maggior parte dell'energia dell'ipernova è concentrata in due getti che si trovano all'interno dei "tubi" magnetici. Pertanto, quando vediamo un getto diretto verso di noi, sembra essere molte volte più luminoso (e più potente) della luminosità dei suoi componenti se una supernova della sua energia viene emessa in tutte le direzioni. Questo è un burst di raggi gamma.
Tuttavia, il processo di formazione di tali getti era quasi incomprensibile. Ma la modellazione del supercomputer Blue Waters, presso il National Center for Supercomputer Applications dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, che ha richiesto 2 settimane, ha rivelato una dinamo estremamente potente messa in moto dalla turbolenza, che è probabilmente la causa di tutto ciò. "Con l'aiuto di una dinamo, piccole strutture magnetiche cadono all'interno di una stella massiccia e si trasformano in strutture magnetiche sempre più grandi necessarie per la formazione di ipernova e lunghe esplosioni di raggi gamma", ha affermato Philip Mosta dell'Università della California a Berkeley, il primo autore di uno studio pubblicato nella rivista Nature. "Questo avvia l'intero processo."
"Per molto tempo si è creduto che fosse possibile. E ora lo abbiamo anche mostrato. "
Ricreando la struttura su piccola scala del nucleo di una stella morente durante un collasso, i ricercatori hanno dimostrato - per la prima volta - che un meccanismo chiamato "instabilità rotazionale magnetica" potrebbe causare forti condizioni magnetiche all'interno del nucleo dell'ipernova, che contribuiscono alla formazione di potenti getti.
È noto che diversi strati di una stella ruotano a velocità diverse. Anche il nostro sole ha una rotazione differenziale. Quando il nucleo di una stella massiccia collassa, la rotazione differenziale provoca una forte instabilità, creando turbolenze che trasformano i campi magnetici in tubi con un potente flusso magnetico. Un tale rapido allineamento lungo una linea accelera il plasma stellare, che, a sua volta, aumenta la rotazione del campo magnetico per quadrilioni (questo è 1 con 15 zeri) volte. Questo circolo vizioso porta al rapido rilascio di materiale dai poli magnetici e innesca il meccanismo dell'ipernova e del burst dei raggi gamma.
Secondo Most, questa situazione è simile a come si formano potenti uragani nell'atmosfera terrestre. Piccoli flussi turbolenti si fondono in un unico grande ciclone. Pertanto, l'ipernova può essere considerata una "tempesta ideale", in cui una piccola turbolenza nel nucleo collasso crea potenti campi magnetici che, a loro volta, causano, in condizioni adeguate, la formazione di getti intensi di materia. "Abbiamo realizzato la prima simulazione su larga scala di questo processo in altissima risoluzione, che dimostra la formazione di un grande campo globale da uno estremamente turbolento", ha affermato Most. "La simulazione dimostra anche il meccanismo della formazione di magnetar e stelle di neutroni con un campo magnetico molto forte, che può far apparire una speciale classe di supernova molto luminosa."
Sebbene sia di per sé interessante studiare le più potenti esplosioni nell'Universo, questo studio può anche aiutare a capire in che modo si sono formati alcuni degli elementi più pesanti del nostro Universo.
