Simulações ajudam a compreender as explosões de estrelas de neutrões canibais

As simulações computacionais estão a trazer novas pistas sobre o comportamento turbulento das estrelas de neutrões canibais.

Quando uma estrela de neutrões absorve matéria de uma companheira próxima num sistema binário, a combustão termonuclear instável desse material acumulado pode desencadear uma explosão violenta, lançando radiação X pelo Universo.

A forma exata como estas poderosas erupções evoluem e se propagam à superfície de uma estrela de neutrões continua a ser, em parte, um mistério. Ao procurarem reproduzir em simulações as explosões de raios X observadas, os cientistas estão, porém, a conhecer melhor os seus mecanismos e as estrelas de neutrões ultradensas que as produzem.

"Com uma simulação, conseguimos observar estes acontecimentos com maior detalhe", afirma Michael Zingale, astrofísico computacional da Universidade Estadual de Nova Iorque em Stony Brook.

"Uma das coisas que queremos fazer é compreender as propriedades da estrela de neutrões, porque queremos perceber como se comporta a matéria perante as densidades extremas que nela se encontram."

A matéria extrema das estrelas de neutrões

As estrelas de neutrões contam-se entre os objetos mais densos do Universo. São os vestígios de estrelas de grande massa que chegaram ao fim da vida, esgotaram o combustível e explodiram como supernovas.

Enquanto as camadas exteriores são projetadas para o espaço, o núcleo da estrela colapsa sob a ação da gravidade. Forma-se então uma esfera extremamente densa, com cerca de 20 quilómetros de diâmetro, capaz de conter até aproximadamente 2,3 vezes a massa do Sol.

Espera-se que a matéria comprimida a tais densidades apresente um comportamento, no mínimo, invulgar. Os cientistas podem, no entanto, estudar as explosões termonucleares destas estrelas para estabelecer limites ao seu tamanho e, assim, ajudar a criar modelos do seu interior.

Por várias razões, entre elas a distância e o perigo, não podemos simplesmente aproximar-nos de uma estrela de neutrões para a examinar melhor. Podemos, porém, reunir toda a informação disponível sobre as suas explosões de raios X e tentar construir uma simulação cujos resultados correspondam aos dados observacionais.

O processo parece simples, mas a física das estrelas de neutrões é extremamente complexa: reproduzir o seu comportamento exige uma grande capacidade de computação.

Simulações das explosões de estrelas de neutrões

Num trabalho anterior, os investigadores recorreram ao supercomputador Summit, do Laboratório Nacional de Oak Ridge, para simular as chamas termonucleares em duas dimensões. Agora, partiram desse estudo para alargar as simulações a uma terceira dimensão.

"O grande objetivo é sempre relacionar as simulações destes acontecimentos com aquilo que observámos", explica Zingale. "Procuramos compreender como é a estrela subjacente, e explorar aquilo que estes modelos conseguem fazer em diferentes dimensões é fundamental."

A estrela de neutrões tridimensional do modelo tinha uma temperatura vários milhões de vezes superior à do Sol e rodava a 1.000 rotações por segundo, um valor bastante próximo do limite superior teórico para a velocidade de rotação destas estrelas. Os investigadores simularam depois a evolução inicial da chama termonuclear.

Diferenças entre os modelos em duas e três dimensões

Embora a chama da simulação bidimensional se tenha propagado um pouco mais depressa do que na versão tridimensional, as tendências de crescimento foram muito semelhantes nos dois modelos. Esta concordância indica que a simulação em duas dimensões continua a ser uma boa ferramenta para estudar estas explosões tumultuosas, apesar de ainda ter limitações.

A turbulência, por exemplo, comporta-se de modo diferente em duas e em três dimensões. Ainda assim, utilizar a simulação bidimensional nas situações em que é adequada permite libertar capacidade de computação para outras tarefas, como aumentar a fidelidade da representação da combustão.

Com esta informação, as simulações podem ajudar a perceber como as estrelas de neutrões desencadeiam estas enormes explosões.

"Estamos perto de modelar a propagação da chama por toda a estrela, de um polo ao outro", diz Zingale. "É entusiasmante."

O estudo foi publicado no Jornal de Astrofísica.