Cientistas explodem uma estrela de nêutrons pela primeira vez em uma simulação 3D em um supercomputador

O Universo guarda muitos mistérios para a humanidade, entre os quais as estrelas de nêutrons ocupam uma posição especial. São objetos tão densos que há até espaço neles para novas físicas. E embora não possamos nos aproximar deles, os cientistas têm acesso a observações e modelagem computacional. Ajustando a simulação às observações, muitos segredos das estrelas de nêutrons podem ser revelados.

Fonte da imagem: Zingale et al., ApJ, 2024

Colisões de estrelas de nêutrons em sistemas binários geram explosões termonucleares, quando parte da matéria flui para outra estrela e uma reação termonuclear é iniciada. Esses são fenômenos muito poderosos que os astrônomos registram na faixa dos raios gama e dos raios X. A força da explosão e a sua dinâmica podem ser quantificadas e depois utilizadas em cálculos para reproduzir as condições para a sua ocorrência. Se os cálculos coincidirem com o que foi visto, então há espaço para esclarecer muitas nuances no comportamento das estrelas de nêutrons. Os detalhes necessários podem ser obtidos a partir de simulações, mesmo que nunca tenhamos confirmação observacional direta das simulações.

Anteriormente, no Laboratório Nacional de Oak Ridge, no supercomputador Summit, os cientistas estudaram a ignição termonuclear de uma estrela de nêutrons em uma projeção 2D. A simulação de processos em larga escala requer recursos de máquina muito maiores, e estes foram alocados. O novo estudo forneceu a primeira simulação 3D detalhada do mundo da ignição termonuclear de uma estrela de nêutrons.

«Com a ajuda da simulação, podemos ver detalhadamente como esses eventos ocorrem, explicam os autores do trabalho publicado no The Astrophysical Journal. “Uma das coisas que queremos fazer é compreender as propriedades de uma estrela de neutrões, porque queremos descobrir como a matéria se comporta nas densidades extremas que encontraríamos numa estrela de neutrões.”

Em média, o diâmetro das estrelas de nêutrons chega a 20 km. Além disso, sua massa – esta é a massa do núcleo de uma antiga estrela que se transformou em supernova – pode atingir duas massas solares. A própria massa do núcleo não foi suficiente para que ele colapsasse em um buraco negro, mas permanecendo um corpo material, comprimiu tanto a matéria dentro de si que sua densidade atingiu valores inimagináveis. Tal que os átomos de matéria no centro das estrelas de nêutrons podem estar em um estado desmontado em quarks ou mesmo em alguns níveis desconhecidos para nós.

À esquerda estão imagens de uma simulação de explosão termonuclear em uma estrela de nêutrons em 2D, à direita – em 3D

A modelagem nos permite identificar as nuances da física das estrelas de nêutrons, a fim de estabelecer restrições a determinados fenômenos e processos. Finalmente, pode ajudar a criar um modelo da física interna desses objetos. O lançamento de um modelo 3D de uma explosão termonuclear em uma estrela de nêutrons mostrou resultados ligeiramente diferentes do lançamento de um modelo 2D. Isso permitirá o estudo do processo em 2D. Isto é importante porque a execução em 2D requer muito menos recursos computacionais e é mais rápida.

Ao mesmo tempo, o lançamento de uma simulação 3D revelou novas facetas do processo de propagação de uma reação termonuclear através da superfície de uma estrela de nêutrons. Até agora, os cientistas conseguiram fazer simulações apenas na região de um pólo do objeto, mas estão cada vez mais perto de simular o fenômeno na escala de toda a estrela, de pólo a pólo.