ONDE D'URTO DELLE SUPERNOVE RICREATE IN LABORATORIO

Una “fetta di pizza” che sa di supernova

Le supernove sono fra gli oggetti più affascinanti e misteriosi dell'universo. Una nuova macchina realizzata presso il Georgia Institute of Technology è riuscita a ricreare un'onda d'urto simile a quella di una supernova, imitando le splendide conseguenze di questa esplosione cosmica. I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista The Astrophysical Journal.

     18/06/2020
Social buttons need cookies

Immagine della Nebulosa Granchio ripresa dal telescopio spaziale Hubble. Credits: ESO

Immersa nella costellazione del Toro, a 6000 anni luce da noi, la Nebulosa del Granchio è un vorticoso spettacolo di gas cosmici ricco di bagliori dalle molteplici tonalità smeraldo e ramato. È nata da una supernova – l’esplosione di una stella gigante – e ora, una macchina da laboratorio, dalle dimensioni di una doppia porta, è riuscita a replicare il modo in cui le immense esplosioni dipingono gli spettacolari turbinii astronomici che caratterizzano questi fenomeni.

«È alta un metro e ottanta e sembra una grande fetta di pizza che misura circa un metro e mezzo nella parte superiore», spiega Ben Musci, primo autore dello studio pubblicato su The Astrophysical Journal, parlando della macchina per supernova che ha costruito presso il Georgia Institute of Technology.

La macchina è sottile come una porta, in posizione verticale con la punta della “fetta di pizza” rivolta verso il basso. Una breve detonazione in quella punta spinge un’onda d’urto verso l’alto e, nel mezzo della macchina, l’onda passa attraverso due strati di gas, facendoli mescolare vorticosamente in turbinii come quelli lasciati dalle supernova. La luce laser illumina i turbinii che vengono catturati, attraverso una finestra, da una fotocamera ad alta velocità con una lente ravvicinata. Insieme alla bellezza di questi vortici generati dalla macchina, vengono raccolti dei dati su una scala di centimetri che, attraverso relazioni fisico matematiche ben note, vengono estrapolati su scale astronomiche. Far ottenere alla macchina risultati utili per lo studio della natura di questi vortici ha richiesto due anni e mezzo di adeguamenti ingegneristici.

La macchina per supernove. Crediti: Georgia Tech/Musci

«Passiamo improvvisamente da una camera perfettamente immobile a una piccola supernova. C’è voluto un grande lavoro di ingegneria per contenere l’esplosione e allo stesso tempo renderla realistica nel punto in cui viene colpita l’interfaccia del gas, visibile della finestra» spiega Devesh Ranjan, primo autore dello studio e professore alla George W. Woodruff School of Mechanical Engineering della Georgia Tech. «La parte difficile è stata la risoluzione dei problemi legati agli artefatti che non facevano parte della fisica delle supernova. Ho trascorso un anno a sbarazzarmi di cose come un’onda d’urto extra che rimbalzava nella camera o l’aria che filtrava dalla stanza», prosegue Musci. «Mi sono anche dovuto assicurare che la gravità, la radiazione di fondo e la temperatura non interferissero con la fisica».

Non tutte le nebulose sono resti di supernova, ma molte di esse lo sono e spesso nascono da una stella massiccia. Le stelle sono sfere di gas disposte in modo da formare degli strati che, quando una stella esplode in una supernova, danno forma a bellissimi turbinii.

«All’esterno, i gas hanno una bassa densità e all’interno una densità più alta; molto più in profondità, la densità inizia a spingere i gas insieme per sintetizzare il ferro nel nucleo della stella», spiega Ranjan. «Dopo questo punto» prosegue Musci, «la stella esaurisce il combustibile nucleare, quindi la forza rivolta verso l’esterno causata dalla fusione nucleare smette di bilanciare la forza gravitazionale diretta verso l’interno. La gravità estrema fa collassare la stella».

Al centro della stella avviene una detonazione, che origina la supernova. Questa onda esplosiva viaggia a circa un decimo della velocità della luce, squarciando i gas presenti nei vari strati. Il gas più pesante che si trova negli strati più interni, induce degli impulsi turbolenti nel gas più leggero presente negli strati più esterni. Poi, dopo il passaggio dell’onda d’urto, la pressione scende, facendo tornare indietro i gas e creando un tipo diverso di turbolenza. 

Una serie di frame che mostra gli effetti visivi prodotti all’interno della macchina. Crediti: Georgia Tech/Musci

I ricercatori hanno usato piccole quantità di un detonatore disponibile in commercio (contenente ciclonite e tetranitrato di pentaeritrite) per realizzare l’esplosione in miniatura che ha inviato, all’interno della macchina, un’onda d’urto tra i gas più pesanti e quelli più leggeri. In natura, l’onda d’urto si diffonde con una simmetria sferica in tutte le direzioni e Musci è riuscito a ottenere una riproduzione parziale di questa curvatura, nell’onda d’urto riprodotta dalla macchina. Nella natura e nella macchina, l’interrelazione tra i gas presenta tante piccole e irregolari pieghe e curve, chiamate perturbazioni, e l’onda d’urto le colpisce ad angoli obliqui.«Questo è importante per far crescere la perturbazione iniziale che porta alla turbolenza, perché tale irregolarità provoca una torsione tra gli strati di gas», spiega Musci.

Supernova SN 1993J. Crediti: Nasa, Esa, and Stsci

Da tutte queste tortuosità e ghirigori che si espandono per migliaia di anni, derivano i resti di supernova. Per i fisici, queste torsioni iniziali sono strutture altamente riconoscibili e interessanti da studiare. «Una delle cose più interessanti che abbiamo visto, relativamente a uno dei  misteri che circonda le supernove», spiega Musci, «è che espellono gas ad alta densità chiamati ejecta, che possono aiutare a creare nuove stelle. Abbiamo visto parte di questa propulsione di gas all’interno del dispositivo, dove il gas pesante è stato propagato nel gas leggero».

I resti di supernova si espandono continuamente a velocità di centinaia di chilometri al secondo, e questa nuova macchina potrebbe aiutare a perfezionare i calcoli di tali velocità e a caratterizzare le mutevoli forme di questi resti. Ad esempio, sappiano che la supernova della Nebulosa del Granchio fu notata per la prima volta nell’anno 1054 dagli astronomi cinesi, ma per molti altri resti di supernova, grazie all’impiego di questa macchina, potremmo essere in grado di calcolare il momento della loro nascita.

Guarda il servizio video di MediaInaf TV:

Per saperne di più: