Stelle di neutroni: simulata un’esplosione termonucleare

Le simulazioni effettuate con un supercomputer hanno fornito nuove informazioni sul comportamento ribelle delle stelle di neutroni cannibali.

Un'immagine della fiamma che si diffonde dalla simulazione. (Zingale et al., ApJ, 2024)
Un’immagine della fiamma che si diffonde dalla simulazione. (Zingale et al., ApJ, 2024)

Stelle di neutroni: esplosioni selvagge svelate dalle simulazioni

Quando una stella di neutroni assorbe materiale da una compagna binaria vicina, la combustione termonucleare instabile del materiale accumulato produce un’esplosione selvaggia che invia radiazioni X in tutto l’Universo. Come esattamente queste potenti eruzioni si evolvano e si diffondano sulla superficie di essa rimane ancora un mistero. Ma cercando di replicare i brillamenti di raggi X osservati utilizzando simulazioni, gli scienziati hanno scoperto più dettagli, nonché sulle stelle di neutroni ultra-dense che li producono.

Michael Zingale astrofisico computazionale della State University di New York a Stony Brook ha dichiarato: “Possiamo vedere questi eventi accadere in modo più dettagliato con una simulazione. Una delle cose che vogliamo fare è comprendere le proprietà delle stelle di neutroni per capire come si comporta la materia alle densità estreme che si trovano in esse.”

Le stelle di neutroni sono alcuni degli oggetti più densi dell’Universo. Esse sono ciò che rimane dopo che una stella massiccia ha vissuto la sua vita, ha esaurito il carburante ed è esplosa in una supernova.

Mentre il materiale esterno viene lanciato nello spazio, però, il nucleo della stella collassa sotto la gravità, formando una palla super densa di circa 20 chilometri di diametro, con una massa pari a quella di 2,3 Soli circa.

Prospettive dall'alto verso il basso (a sinistra) e isometriche (a destra) della simulazione a 10, 20 e 40 millisecondi (dall'alto verso il basso).  Michael Zingale, Dipartimento di Fisica e Astronomia presso SUNY Stony Brook
Prospettive dall’alto verso il basso (a sinistra) e isometriche (a destra) della simulazione a 10, 20 e 40 millisecondi (dall’alto verso il basso). Michael Zingale, Dipartimento di Fisica e Astronomia presso SUNY Stony Brook

Stelle di neutroni: un laboratorio cosmico estremo

Gli scienziati hanno studiato le stelle di neutroni, oggetti affascinanti e densi nati dal collasso di stelle massicce, per comprendere meglio questi enigmatici oggetti, non potendo avvicinarsi per ovvie ragioni di distanza e pericolosità, hanno sfruttato le loro esplosioni termonucleari. Combinando osservazioni e simulazioni, i ricercatori hanno svelato gradualmente i segreti di questi oggetti estremi, aprendo una finestra su un affascinante angolo dell’universo.

Sembra semplice, ma la fisica delle stelle di neutroni è davvero complicata; simulare il loro comportamento richiede molta potenza di calcolo.

Nel lavoro precedente, gli scienziati hanno utilizzato il supercomputer Summit dell’Oak Ridge National Laboratory per simulare le fiamme termonucleari in due dimensioni. Ora, il team ha portato la sua ricerca a un livello superiore, realizzando simulazioni tridimensionali. Le simulazioni 3D offrono una rappresentazione più realistica e accurata di questi fenomeni complessi, permettendo di studiare in dettaglio il loro comportamento e le loro dinamiche. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista The Astrophysical Journal.

Zingale ha spiegato: “Il grande obiettivo è sempre quello di collegare le simulazioni di questi eventi a ciò che abbiamo osservato. Il nostro scopo è capire come appare la stella sottostante ed esplorare cosa possono fare questi modelli attraverso le dimensioni è vitale”.

stella di neutroni

Stelle di neutroni: simulazioni 3D rivelano temperature e rotazioni estreme

Il modello 3D della stella di neutroni ha presentato una temperatura diversi milioni di volte più calda di quella del Sole e una velocità di rotazione pari a 1.000 rotazioni al secondo, che è abbastanza vicina al limite superiore teorico. Quindi, è stata simulata la prima evoluzione della fiamma termonucleare.

Sebbene la fiamma nella simulazione 2D si sia diffusa leggermente più velocemente rispetto alla versione 3D, le tendenze di crescita in entrambi i modelli sono state molto simili. Questo significa che la simulazione 2D rimane un buon strumento per studiare queste frenetiche esplosioni, ma ci sono ancora alcune cose che non può fare. Ad esempio, simulare il flusso d’aria attorno a un aereo in 2D può essere sufficiente per valutare la resistenza aerodinamica generale, mentre una simulazione 3D è necessaria per un’analisi più dettagliata del vortice e delle turbolenze.

L’utilizzo combinato di simulazioni 2D e 3D rappresenta un approccio strategico per ottimizzare l’utilizzo delle risorse computazionali e ottenere prove accurate e affidabili di fenomeni complessi come la turbolenza e la combustione.

Zingale ha concluso: “Siamo vicini a modellare la diffusione della fiamma su tutta la stella”.

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