Retroalimentación de Supernova en Galaxias

• Título del artículo I: Supernova feedback in a local vertically stratified medium: interstellar turbulence and galactic winds
• Autores: Davide Martizzi, Drummond Fielding, Claude-André Faucher-Giguère, & Elliot Quataert
• Institución del primer autor: Department of Astronomy and Theoretical Astrophysics Center, University of California Berkeley
• Estado del artículo I: Publicado en MNRAS, acceso abierto en arXiv
• Título del artículo II: How supernovae launch galactic winds
• Autores: John Asher Johnson et al.
• Institución del primer autor: Department of Astronomy and Theoretical Astrophysics Center, University of California Berkeley
• Estado del artículo II: Enviados a MNRAS, acceso abierto
• Astrobito original: Breaking Wind: Supernova feedback in galaxies por Mia de los Reyes

Introducción

La formación de estrellas en el universo alcanzó su punto máximo en un corrimiento al rojo de z ~ 2 (cuando el universo tenía tan solo ~ 3 billones de año). Desde ese entonces, esta formación de estrellas ha sido cuesta abajo. Esta simple observación provocó que surgiera unas de las mayores preguntas acerca de las galaxias: ¿Por qué las tasas de formación de estrellas comenzaron a disminuir en z ~ 2? ¿Qué procesos físicos podrían parar (o extinguir) la formación estelar?

Para la creación de estrellas, necesitas gas—así que una manera para evitar la formación de estrellas es removiendo el gas de nuestra galaxia. Esto es precisamente lo que los vientos galácticos hacen. Estos vientos galácticos son salidas masivas de gas y otros materiales que son impulsados desde galaxias por el proceso de curso de formación estelar, por ende, liberando grandes cantidades de energía. Los estudios que incluyen los vientos galácticos en sus simulaciones coinciden con muchas observaciones distintas, lo que sugiere que los vientos galácticos pueden ser responsables de multiples fenómenos: no sólo de la amortiguación de formación estelar, sino que también pueden ser responsables de la ineficiencia de formaciones estelares típicas en galaxias y de calentar el material alrededor de las galaxias.

Sin embargo, a pesar del hecho de que los vientos galácticos han sido observados directamente en varias ocasiones, todavía no tenemos un entendimiento claro de como estos funcionan. Eso sí, se cree que probablemente la retroalimentación (feedback—inyección de energía e impulso hacia el medio interestelar) de las supernovas juegan un papel importante en este tópico.

En los artículos de hoy (¡sí, hoy tenemos el resumen de dos artículos por el precio de uno!) estudian esto con más detalle. Ambos artículos están escritos por los mismo autores, pero examinan dos maneras distintas la simulación de la retroalimentación de supernova.

Figure 1. Figura utilizada para mostrar las geometrías de las simulaciones discutidas en los artículos de hoy. El cuadro azul ilustra una simulación “local” en coordenadas cartesianas, mientras que el cuadro naranja ilustra una simulación “global”. Crédito: NASA

Artículo 1: La vida es como una caja de supernovas

Desafortunadamente, computacionalmente hablando, es caro simular una galaxia entera con resolución en escalas de supernovas individuales. Para evitar esto, casi todas las simulaciones  previas de retroalimentación de supernovas han examinado cálculos locales, es decir, simulaciones de volúmenes relativamente pequeños dentro de una galaxia (ver Figura 1).

El primer artículo de hoy presenta algunas de estos cálculos locales. Los autores de este artículo realizaron simulaciones hidrodinámicas de una caja con longitud de ~1 kilopársec, cual modelaron como parte de un disco galáctico (el cuadro azul de la Figura 1). Las supernovas son puestas en diferentes lugares de la caja, y cada supernova introduce algo de energía y cantidad de movimiento en la caja. La gran mayoría de este energía se irradia o produce turbulencia en el medio interestelar de la galaxia.

Solo una parte (como mucho 10%) de la energía de las supernovas realmente ayuda a acelerar los vientos galácticos, y esto no es suficiente para lanzar vientos galácticos tan energéticos como esperábamos. Otras simulaciones locales encontraron el mismo resultado (por ejemplo, mira este Astrobite—Astrobito en inglés— que también mira otros procesos que pueden causar vientos galácticos). Esto sugiere que las supernovas por sí solas puede que no produzcan vientos galácticos en el mundo real.

Pero quizás esto no sea toda la historia. Los autores de este artículo también jugaron con la geometría de su simulación. Como se puede observar en la Figura 2, cuando los autores incrementaron la altura de la caja simulada (líneas sólidas denotan una caja más pequeña, líneas discontinuadas denotan una caja más grande), la velocidad de salida de los vientos también cambiaran. En otras palabras, !El resultado de una simulación local depende de su geometría!

Figura 2. Gráfica del “factor de carga de la masa del viento” (que es proporcional a la tasa de salida) en función del tiempo. Las líneas continuas muestran las medidas en la caja original de longitud lateral de 1 kpc, mientras que las líneas discontinuas muestran las mismas medidas pero en una caja de longitud lateral de 2 kpc. Los colores indican las alturas en que se tomaron las medidas: el azul está más cerca del disco galáctico, el púrpura está más alejado del disco y el negro está mucho más alejado del disco. Crédito: Figura 9 del artículo original D. Martizzi et al., 2016 (arXiv: 1601.03399v2).

Artículo 2: El panorama general

Esto nos lleva al segundo artículo de hoy, en el cual los autores tratan de evitar las limitaciones de las simulaciones locales mediante el estudio de la retroalimentación de las supernovas en un contexto global. Estos autores simularon discos galácticos completos (caja naranja en la Figura 1), aunque están limitados a discos relativamente pequeños, ya que todavía tienen que resolver las supernovas individuales que están distribuidas a lo largo del volumen de simulación.

Los autores encuentran que las supernovas producen vientos galácticos más potentes en las simulaciones globales que en las simulaciones locales. Y los vientos son aún más energéticos si las supernovas se agrupan más estrechamente, lo que probablemente pasa en las galaxias reales. (Puedes ver videos de las simulaciones aquí, son muy bonitas.)

Estas simulaciones son relativamente simples y no incluyen otros procesos físicos que podrían ser importantes, como la rotación de galaxias o campos magnéticos. Pero incluso estos resultados preliminares coinciden con las expectativas analíticas, lo que implica que las supernovas podrían desempeñar un papel más importante en la producción de vientos de galaxias que lo que las simulaciones locales sugieren.

Conclusión

Los artículos de hoy muestran una verdad inconveniente acerca de las simulaciones: tú obtienes lo que tu pusiste, y debido a la limitada potencia de cálculo simplemente no puedes poner todo.  Por lo tanto, se tiene que decidir entre el tamaño espacial, la resolución y la cantidad de conceptos físicos en la simulación. Es importante entender cuales de estas cosas se decide sobre la otra, y como esto afectaría la pregunta científica que estás tratando de contestar.

Con los avances en el poder computacional, hace que la decisión sobre que se pone en la simulaciones sea más fácil. Por ejemplo, el Astrobito de hoy ilustra un cambio de simulaciones locales a globales que han estado ocurriendo en múltiples áreas de la astrofísica computacional. Estas simulaciones aún no son perfectas, pero nos están proveyendo con una mejor visión sobre los fenómenos astrofísicos en todas las escalas.