•Notícia

Continguts Relacionats

Científics de la Universitat Politècnica de Catalunya. BarcelonaTech (UPC) han simulat per primer cop en 3D els fenòmens crítics produïts durant les explosions estel·lars de noves. Gràcies a això, s’han pogut caracteritzar de manera precisa les propietats físiques i la composició química del material expulsat, la qual cosa ha servit per resoldre un enigma de fa més de 50 anys: l’origen de la distribució irregular i heterogènia del material ejectat. El treball, que publica aquesta setmana la revista Nature, ha permès, en definitiva, analitzar la funció que tenen aquestes explosions termonuclears en l’enriquiment químic de la galàxia.

Gràcies als complexos fenòmens nuclears que concorren a l'interior de les estrelles, l'Univers ha evolucionat des d'un estadi químicament pobre, dominat exclusivament per la presència d'hidrogen, heli i només traces de liti, a un indret amb prop d'un centenar d'elements estables. L'origen de la major part d'aquests elements químics avui dia presents al cosmos, que han propiciat la formació d’estructures com planetes i estels o la gènesi de formes de vida (des del calci dels nostres ossos, fins al ferro de la sang o l’urani que empren les centrals nuclears), es gesta en titàniques explosions estel·lars, com ara les explosions de supernoves i noves.

Les noves son fenòmens estel·lars de tipus cataclísmic que tenen lloc en sistemes binaris els quals contenen un objecte estel·lar compacte (una "nana blanca", de fins a 1.4 vegades la massa del Sol però amb dimensions planetàries) i un estel poc massiu. Ambdós estels estan prou a prop com perquè l'intens camp gravitatori de la nana blanca arrenqui part del material de les capes més externes de la seva companya.

Les noves, relativament freqüents a la nostra galàxia (es produeixen unes 30-35 explosions de tipus nova per any), constitueixen el tercer fenomen explosiu de tipus estel·lar més violent de l'Univers, en termes energètics, després de les supernoves i els anomenats gamma-ray bursts.

Noves i supernoves han estat observades al llarg de la història, des de fa més de dos mil·lennis. El sobtat augment en la brillantor d'aquests astres, en ocasions observables directament per l’ull nu, ha suscitat les més diverses conjectures sobre el seu origen.

Gràcies a l'adveniment de noves tècniques observacionals més precises (fotometria, espectroscòpia...), els experts han pogut caracteritzar de manera precisa diverses propietats físiques del material expulsat durant les explosions de noves, com ara la seva composició química. Es coneix que el material transferit per l’estrella companya és, sovint, de tipus solar (és a dir, amb prop del 98% en massa constituït exclusivament per hidrogen i heli). Però el material expulsat durant una explosió de nova pot arribar a presentar entre un 30% i un 50% d'altres elements, en el rang entre el carboni (C) i el calci (Ca).

L'origen d'aquest peculiar patró d'abundàncies químiques i de la seva distribució irregular en el material ejectat ha constituït un veritable enigma en el camp de l'astrofísica estel·lar, des de fa gairebé mig segle. La hipòtesi més probable és que, en dipositar-se sobre la nana blanca el material transferit per l’estrella companya es produeixen episodis de barreja just a la frontera entre les capes més externes de la nana blanca i l'embolcall de material transferit. Amb tot, la caracterització d'aquest procés de barreja ha provocat acalorades discussions. Un dels mecanismes proposats no ha pogut ser simulat amb tot rigor fins que s'ha disposat d'eines informàtiques prou potents.
 

Ara, doncs, un equip d’investigadors liderat per Jordi Casanova, estudiant de doctorat, i Jordi José i Enrique García-Berro, físics dels Departaments de Física i Enginyeria Nuclear i Física Aplicada  respectivament, de la UPC, han demostrat que l'acumulació de material per aquesta via sobre la nana blanca és inestable, la qual cosa dóna lloc a episodis de barreja de material just a la frontera entre les capes més externes de la nana blanca (riques en elements, com ara el carboni i l’oxigen, o l’oxigen i el neó) i l'embolcall de material transferit. I s'ha pogut constatar, per tant, el grau d'enriquiment en elements pesants a què dóna lloc aquest fenomen, el qual fins ara es deduïa a partir de les observacions.

Aquest fenomen l’han demostrat a partir de simulacions en 3D del procés de barreja, realitzades per primer cop en l’àmbit de les explosions de noves. Unes simulacions que s’han pogut fer gràcies a l'ús de sofisticades eines de càlcul, com ara l'ordinador MareNostrum del Barcelona Supercomputing Centre-Centre Nacional de Supercomputació (BSC-CNS), i després de 150.000 hores de càlcul.
 

D'altra banda, la possibilitat de recrear en 3D fenòmens físics com la convecció, en les condicions que operen durant les explosions de noves, ha fet possible resoldre la segona part de l'enigma. Es coneixia, però només de manera formal, com opera el transport d'energia per convecció en els estels. Ara, gràcies a l'estudi realitzat pel investigadors de la UPC, s'ha pogut comprovar numèricament que, en les condicions que imperen durant una explosió de nova, la materia (plasma) presenta règim turbulent, és a dir, que es mou de forma gairebé caòtica, amb moviments desordenats.

Aquest règim turbulent presenta intermitències, la qual cosa provoca irregularitats en la distribució química de material als embolcalls expulsats. Això mai s'havia pogut provar numèricament en explosions de noves (ni s'havia arribat mai a conjecturar com a hipòtesi per explicar l'origen de les inhomogeneïtats químiques observades). Aquest fet s'atribuïa fins ara a imprecisions associades al procés de mesura. L'estudi, que es publica a Nature, demostra que, per contra, el fenomen és real i està causat per intermitències en els fenòmens turbulents que apareixen en el plasma estel·lar en produir-se la seva explosió termonuclear.

Els investigadors Jordi Casanova i Jordi José estan adscrits a l’Escola Universitària d’Enginyeria Tècnica Industrial de Barcelona (EUETIB) i a l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya, i Enrique García-Berro, a l’Escola d'Enginyeria de Telecomunicació i Aeroespacial de Castelldefels (EETAC) i a l’Institut d’Estudis Espacials de Catalunya.

En el projecte hi han participat també els investigadors Steven Shore, de la Universitat de Pisa (Itàlia), i Alan Calder, de la Stony Brook University (Estats Units). Ha rebut el suport del Ministeri de Ciència i Innovació, la Generalitat de Catalunya (a través de l’Agència de Gestió d’Ajuts Universitaris i de Recerca), el programa de fons FEDER de la Unió Europea i l’European Science Foundation.