Supercomputador de Argonne simula la física extrema de las estrellas en explosión

Instantánea de una simulación 3-D de una supernova de Tipo Ia, poco después de que la burbuja de llama nuclear que inicia el evento Ia se inicia ligeramente desplazado del centro de la estrella enana blanca progenitora (mostrada como una superficie azul claro). Las fuerzas de flotabilidad dirigen la burbuja (mostrada en amarillo y rojo) rápidamente a la superficie de la enana blanca. (Imagen: DOE NNSA ASC/Alliance Flash Center)

Fisher y Jordan requieren de tales recursos en su campo de la ciencia extrema. Su trabajo en el Centro para Destellos Termonucleares Astrofísicos de la Universidad de Chicago explora cómo las leyes de la naturaleza se desatan en fenómenos a temperaturas y presiones inimaginablemente altas. El supercomputador Blue Gene/P en el Laboratorio Nacional Argonne servirá como uno de las herramientas primarias para estudiar las estrellas en explosión.

“El supercomputador de Argonne, Blue Gene/P, es uno de los supercomputadores más grandes y rápidos del mundo”, dijo Fisher, Científico Investigador en el Centro de Destellos. “Tiene recursos computacionales masivos que no están disponibles en plataformas menores en ningún sitio”. Los ordenadores de sobremesa normalmente contienen sólo uno o dos procesadores; Blue Gene/P tiene más de 160 000 procesadores. Lo que un ordenador de sobremesa podría completar en mil años, el superordenador Blue Gene/P puede realizarlo en tres días. “Es una escala distinta de cálculo. Esto es computación en la vanguardia de la ciencia”, dijo Fisher.

El acceso a Blue Gene/P, alojado en la Instalación de Computación Líder avanzada de Argonne, fue posible por una asignación temporal del programa de Impacto de la Nueva Computación en Experimentos y Teoría del Departamento de Energía de los Estados Unidos. El centro de Destellos se fundó en 1997 con fondos de la Oficina de Simulación y Computación Avanzada de la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA).El Programa de Alianza Académica Estratégica de la NNSA ha mantenido el Centro de Destellos con fondos y recursos computacionales a lo largo de su historia. El apoyo se genera a partir del interés del Departamento de Energía en la física que tiene lugar a energías extremadamente concentradas, incluyendo las estrellas que estallan conocidas como supernovas. El Centro de Destellos dedicará sus recursos de cálculo a estudiar las supernovas de Tipo Ia, en las que la temperatura alcanza miles de millones de grados.

Una mejor comprensión de las supernovas de Tipo Ia es crucial para resolver en misterio de la energía oscura, uno de los mayores retos a los que se enfrentan los cosmólogos actualmente. La energía oscura es de alguna forma la causa de que el universo se expanda a un ritmo acelerado.

Los cosmólogos descubrieron la energía oscura usando las supernovas de Tipo Ia como dispositivos de medida cósmica. Todas las supernovas de Tipo Ia muestran aproximadamente el mismo brillo, por tanto los científicos podían calcular la distancia de las galaxias que albergaban las estrellas en explosión. No obstante, esta supernovas muestran una variación de aproximadamente el 15 por ciento. “Para comprender de verdad la energía oscura, tienes que reducir esta variación a aproximadamente un 1 por ciento”, dijo Jordan, Investigador Asociado al Centro de Destellos.

La densidad de las estrellas enanas blancas, a partir de las cuales evolucionan las supernovas de Tipo Ia, es igualmente extrema. Cuando las estrellas del tamaño del Sol alcanzan el final de sus vidas, se han despojado de la mayor parte de su masa y dejan un núcleo inerte de aproximadamente el tamaño de la Luna. “Si pudiésemos tomar un centímetro cúbico — aproximadamente una cuchara de té — del material de la enana blanca, pesaría mil toneladas”, explicó Fisher. “Estos son unos objetos increíblemente densos”.

Se cree que las supernovas de Tipo Ia sólo tienen lugar en los sistemas estelares binarios, aquellos en los que dos estrellas orbitan entre sí. Cuando una enana blanca binaria ha acumulado gravitatoriamente suficiente materia de su estrella compañera, se produce la explosión. “Esto tiene lugar a lo largo de ciento de millones de años”, dijo Jordan. “Conforme la enana blanca se hace cada vez más densa con materia comprimida sobre ella, se produce una ignición en su núcleo. Esta ignición se extiende por toda la estrella y finalmente lleva a una descomunal explosión”.

El equipo de Destellos lleva a cabo simulaciones de una estrella completa en un supercomputador en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California. En Argonne, el equipo realizará un conjunto relacionado de simulaciones. “Se puede pensar en ello como una “llamarada nuclear en una caja” en un pequeño trozo de la enana blanca”, dijo Fisher.

En las simulaciones de Argonne, el equipo analizará cómo tienen lugar los estallidos en cuatro posibles escenarios que llevan a las supernovas de Tipo Ia. El estallido en una enana blanca puede tener lugar como una deflagración o como una detonación.

“Imagina una piscina de gasolina y que lanzas una cerilla dentro. Ese tipo de combustión a lo largo de la piscina de gasolina es una deflagración”, dijo Jordan. “Una detonación es simplemente si enciendes un cartucho de dinamita y lo dejas explotar”.

En el escenario del Centro de Destellos, la deflagración comienza desplazada del centro del núcleo de la estrella. La combustión crea una burbuja caliente de cenizas menos densas que se eleva debido a la flotabilidad, como un trozo de corcho sumergido en el agua. Pero la gravedad mantiene las cenizas cerca de la superficie de la enana blanca. “Este movimiento rápido de cenizas permanece confinado en la superficie, fluye alrededor de la enana blanca y colisiona en el lado opuesto”, dijo Jordan. La colisión dispara una detonación que incinera la estrella. Sim embargo, hay otros tres escenarios a considerar. “Para comprender cómo las simulaciones se relacionan con la supernova real, tenemos que hacer más de mil simulaciones diferentes este año para variar los parámetros dentro del modelo y ver cómo estos parámetros afectan a la supernova”.



Fecha Original: 1 de mayo de 2008
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