Gravedad Cero

Según informa el último número de la revista científica Nature, científicos de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) han simulado por primera vez en 3D los fenómenos críticos producidos durante las explosiones estelares de novas. Gracias a ello, se han podido caracterizar de manera precisa las propiedades físicas y la composición química del material expulsado, resolviendo el enigma del origen de la distribución irregular y heterogénea del material. El trabajo ha permitido, en definitiva, analizar la función que tienen estas explosiones termonucleares en el enriquecimiento químico de la galaxia.

Las novas son fenómenos estelares de tipo cataclísmico que tienen lugar en sistemas binarios los cuales contienen un objeto estelar compacto (una «enana blanca», de hasta 1.4 veces la masa del Sol, pero con dimensiones planetarias) y una estrella poco masiva. Ambas estrellas están bastante cerca como para que el intenso campo gravitatorio de la enana blanca arranque parte del material de las capas más externas de su compañera.

Las novas, relativamente frecuentes en nuestra galaxia, constituyen el tercer fenómeno explosivo de tipo estelar más violento del Universo, en términos energéticos, después de las supernovas y los llamados gamma-ray bursts. Novas y supernovas han sido observadas a lo largo de la historia, desde hace más de dos milenios. El repentino aumento en la brillantez de estos astros, en ocasiones observables directamente por el ojo desnudo, ha suscitado las más variadas conjeturas sobre su origen.

Gracias a los complejos fenómenos nucleares que concurren en el interior de estas estrellas, el Universo ha evolucionado desde un estadio químicamente pobre, dominado exclusivamente por la presencia de hidrógeno, helio y sólo trazas de litio, a un lugar con cerca de un centenar de elementos estables. El origen de la mayor parte de estos elementos químicos hoy en día presentes en el cosmos, que han propiciado la formación de estructuras como planetas y estrellas o la génesis de formas de vida (desde el calcio de nuestros huesos, hasta el hierro de la sangre o el uranio que emplean las centrales nucleares), se gesta en titánicas explosiones estelares, como por ejemplo las explosiones de supernovas y novas.

La hipótesis más probable es que, al depositarse sobre la enana blanca el material transferido por la estrella compañera, se producen episodios de mezcla justo en la frontera entre las capas más externas de la enana blanca y el envoltorio de material transferido. Con todo, la caracterización de este proceso de mezcla ha provocado acaloradas discusiones. Uno de los mecanismos propuestos no ha podido ser simulado con todo el rigor hasta que se ha dispuesto de herramientas informáticas bastante potentes.

PRIMER ENIGMA RESUELTO

Ahora, un equipo de investigadores de los Departamentos de Física e Ingeniería Nuclear y Física Aplicada de la UPC han demostrado que la acumulación de material por esta vía sobre la enana blanca es inestable, dando lugar a episodios de mezcla de material justo en la frontera entre las capas más externas de la enana blanca (ricas en elementos, como por ejemplo el carbono y el oxígeno, o el oxígeno y el neón) y el envoltorio de material transferido. Y se ha podido constatar, por lo tanto, el grado de enriquecimiento en elementos pesantes a que da lugar este fenómeno, que hasta ahora se deducía a partir de las observaciones.

Este fenómeno ha sido demostrado a partir de simulaciones en 3D del proceso de mezcla, realizadas por primera vez en el ámbito de las explosiones de novas. Unas simulaciones que se han podido realizar gracias al uso de sofisticadas herramientas de cálculo, como por ejemplo el ordenador MareNostrum del Barcelona Supercomputing Centro-Centro Nacional de Supercomputación (BSC-CNS), y después de 150.000 horas de cálculo.

SEGUNDO ENIGMA RESUELTO

Por otro lado, la posibilidad de recrear en 3D fenómenos físicos como la convección, en las condiciones que operan durante las explosiones de novas, ha hecho posible resolver la segunda parte del enigma. Se conocía, pero sólo de manera formal, cómo opera el transporte de energía por convección en las estrellas. Ahora, gracias al estudio realizado por investigadores de la UPC, se ha podido comprobar numéricamente que, en las condiciones que imperan durante una explosión de nova, la materia (plasma) presenta régimen turbulento, es decir, que se mueve de forma casi caótica, con movimientos desordenados.

Este régimen turbulento presenta intermitencias, lo cual provoca irregularidades en la distribución química de material a los envoltorios expulsados. Esto nunca se había podido probar numéricamente en explosiones de nuevas (ni se había llegado nunca a conjeturar como hipótesis para explicar el origen de las no-homogeneidades químicas observadas). Este hecho se atribuía hasta ahora a imprecisiones asociadas al proceso de medida. El estudio, que publica la revista científica Nature, demuestra que, por el contrario, el fenómeno es real y está causado por intermitencias en los fenómenos turbulentos que aparecen en el plasma estelar al producirse su explosión termonuclear.