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Dalla supernova al suo resto: lo studio di Palermo

I risultati di simulazioni magneto-idrodinamiche tridimensionali recentemente sviluppate da un team di astrofisici guidato da Antonio Tutone dell’Università di Palermo, associato all’Istituto nazionale di astrofisica, hanno permesso di ricostruire i legami tra i resti di supernove e i loro eventi progenitori

     20/11/2020
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Distribuzione di densità nel caso di un’esplosione con simmetria sferica (a sx) e nel caso in cui siano presenti anisotropie su larga scala (a dx). Entrambi i pannelli sono divisi in quattro quadranti, ognuno raffigurante l’espansione del materiale espulso 10, 100, 1000 e 5000 anni dopo l’esplosione. Crediti: Tutone et al, A&A, 2020

Le spettacolari esplosioni di supernova con cui le stelle di grande massa terminano la loro evoluzione sono eventi governati da una fisica complessa, lontani dall’essere descrivibili assumendo una semplice simmetria sferica. La rarità di questi eventi rende ancora più complicata la comprensione dei processi fisici coinvolti nelle esplosioni di supernova. Si stima, infatti, che la nostra galassia in media ospita una supernova ogni 50 anni, e le supernove osservate in altre galassie sono a distanze troppo elevate da noi per poter risolvere spazialmente i dettagli dell’esplosione.

I fenomeni fisici coinvolti nelle esplosioni di supernova possono però essere compresi studiando i resti di supernova, ossia le nebulose in rapida espansione create dagli strati dell’atmosfera della stella progenitrice espulsi a velocità di migliaia e decine di migliaia di km/s. I resti di supernova utili a questo scopo devono però essere abbastanza vicini a noi – non più distanti di poche migliaia di anni luce – da permetterci di analizzare la loro struttura spaziale ed abbastanza giovani – risalenti a non più di qualche migliaio di anni – da conservare ancora nella loro struttura l’imprint dei processi avvenuti durante l’esplosione. Nella nostra galassia si conta circa una dozzina di resti di supernova che soddisfa questi criteri.

Le simulazioni magneto-idrodinamiche tridimensionali recentemente sviluppate da un team di astrofisici guidato da Antonio Tutone dell’Università di Palermo, associato all’Istituto nazionale di astrofisica, mirano a connettere la morfologia dei resti di supernova con la geometria della supernova progenitrice. Gli autori dello studio hanno infatti simulato i primi 5000 anni di evoluzione di un resto di supernova prodotto dall’esplosione di una supergigante rossa di 20 masse solari, partendo proprio dall’esplosione della supernova.

Antonio Tutone, ricercatore all’Università di Palermo, primo autore dello studio pubblicato su A&A

Al termine della loro evoluzione, stelle di questo tipo producono una grande varietà di elementi chimici: la loro struttura interna ha una caratteristica configurazione a gusci concentrici, con elementi diversi prodotti dai processi termonucleari che avvengono in determinati gusci. Gli elementi più leggeri, come l’elio, sono prodotti negli strati esterni, mentre quelli più pesanti, come ferro e silicio, negli strati interni. Nel caso di un’esplosione pressoché simmetrica, ossia priva di anisotropie su larga scala, il resto di supernova mantiene la struttura a gusci tipica della stella progenitrice, con un’iniziale espansione omologa degli strati espulsi dall’esplosione. Il resto di supernova abbandona questa geometria appena gli strati più esterni interagiscono con lo shock inverso che viaggia verso l’interno del resto di supernova. Nel caso invece in cui siano presenti asimmetrie su larga scala durante l’esplosione della supernova, la strutturazione chimica del resto di supernova devia dalla configurazione a gusci, e dipende fortemente dalla instabilità idrodinamiche che si sviluppano a seguito del collasso della stella e dalla struttura interna della stella progenitrice. Le simulazioni mostrano infatti che forti anisotropie nell’esplosione lasciano una traccia visibile nel resto di supernova, portando ad un’inversione nelle abbondanze chimiche dei frammenti stellari espulsi.

«Le simulazioni numeriche», spiega Tutone a Media Inaf, «forniscono un importante strumento di analisi. Oltre a permetterci di studiare l’evolversi di oggetti ben al di là delle scale di tempo umane, forniscono utili modelli per comprendere i casi reali. La sintesi di proprietà osservabili, come gli spettri di emissione termica in banda X, ci ha permesso di individuare le “tracce” lasciate dall’anisotropia sull’evoluzione del resto di supernova. I risultati del modello permetteranno di individuare nelle osservazioni strutture simili a quelle simulate».

In particolare, elementi pesanti – come il ferro, che all’interno della stella progenitrice è abbondante nel nucleo e negli strati interni – possono trovarsi nel resto di supernova all’esterno di elementi più leggeri, in una configurazione simile a quella osservata in alcuni resti di supernova galattici. Questi elementi prodotti in prossimità del nucleo della stella riflettono la dinamica delle complesse fasi immediatamente successive al collasso del nucleo e, pertanto, possono dare indicazioni importanti sui processi fisici che governano le esplosioni di supernova.

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