Como as explosões industriais podem nos ajudar a entender as supernovas

Os cientistas lançaram uma teoria usando as explosões vistas em acidentes industriais para entender supernovas em um novo artigo.

As explosões destrutivas geralmente envolvem vários tipos diferentes de processos: deflagração, ou chamas que acendem um meio mais lento que a velocidade do som; e detonação, ondas de choque mais rápidas que o som comprimindo e acendendo o combustível. Iniciar uma detonação é difícil, especialmente em um sistema sem confinamento delimitado – como um acidente industrial ao ar livre ou, por exemplo, uma supernova. Usando simulações, teoria e até mesmo um experimento, os cientistas perceberam que chamas interagindo com um ambiente intensamente turbulento podem desencadear uma dessas detonações.

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O autor principal do estudo, Alexei Poludnenko, da Texas A&M, começou a trabalhar como astrofísico por treinamento, trabalhando em um problema de longa data em nosso entendimento da supernova: como detonar uma bola de gás não confinada, sem que a força simplesmente a empurre para longe? Mas quando uma instalação de armazenamento de petróleo no Reino Unido explodiu em 2005, a detonação quase agiu como as detonações não confinadas no espaço.

“Meu pensamento era que talvez os astrofísicos não estivessem conversando com físicos de combustão que lidam com essas coisas todos os dias”, disse Poludnenko ao Gizmodo.

Ele e outros pesquisadores começaram a trabalhar em uma teoria unificada dessas explosões e começaram a executar modelos numéricos simulando explosões não confinadas em supercomputadores. Em 2011, a equipe mostrou como uma deflagração poderia se transformar em uma detonação em um sistema não confinado: fluxos caóticos das chamas os faziam queimar mais rápido que uma velocidade característica, desencadeando mudanças rápidas de pressão que produziam ondas de choque.

Mas, para que essas chamas mantenham uma detonação e causem um aumento descontrolado da pressão necessária para uma onda de choque, a turbulência deve ser suficiente para embalar as pequenas chamas em um volume característico suficientemente apertado.

Os pesquisadores tinham sua teoria e a modelaram em supercomputadores, mas ainda não tinham nenhuma evidência experimental para sustentar o seu trabalho. Infelizmente, é difícil criar e observar um experimento não confinado em uma explosão. Poludnenko juntou-se a pesquisadores da Universidade da Flórida Central para realizar experimentos em um tubo de choque com 1,5 metro de comprimento e 4,5 cm de largura, com uma extremidade aberta e outra fechada.

O tubo também tinha janelas de cada lado para que eles pudessem observar o comportamento. Embora não fosse um ambiente propício para uma explosão não confinada, os pesquisadores pensaram que poderiam isolar apenas a região onde chamas turbulentas produziriam as pressões necessárias para acionar uma ignição, de acordo com o artigo publicado na Science.

A equipe encheu o tubo com uma mistura de híbrido e ar e o acendeu usando uma vela de ignição. Chamas viajaram pelo tubo e placas com orifícios dentro do tubo geraram um fluxo turbulento. Isso produziu uma onda de choque viajando de duas a três vezes a velocidade do som na extremidade aberta. Os pesquisadores observaram pela janela como as chamas se transformaram em detonação, se comportando conforme previsto pelo seu trabalho teórico e simulações.

Com dados experimentais combinados com suas simulações e trabalhos teóricos, os pesquisadores sentiram que haviam produzido um mecanismo unificado para esses tipos de explosões, chamado de transição de deflagração para detonação causada por turbulência, ou TDDT. Eles o usaram para produzir modelos numéricos para explosões termonucleares e, finalmente, para calcular as propriedades que causariam um evento tão descontrolado nas supernovas. Nas densidades incríveis dentro do núcleo das supernovas, uma transição de deflagração para detonação é “quase inevitável”, escrevem os autores.

Quanto a quem poderia se interessar por essa teoria, a pesquisa foi financiada pela NASA, pela Força Aérea e pela Alpha Foundation para a Melhoria da Segurança e Saúde das Minas, com recursos computacionais fornecidos pelo Departamento de Defesa e pelo laboratório de Pesquisa Naval.

É um “estudo realmente importante”, disse ao Gizmodo Craig Wheeler, professor emérito de astronomia da Universidade do Texas em Austin, não envolvido no estudo, e um “grande passo” que liga as condições terrestres mais fáceis de calcular com as de supernovas, que são muito mais difíceis de testar.

Ele ressaltou que as consequências deste artigo seriam importantes o suficiente para que as pessoas da área precisassem repensar sua compreensão das supernovas – então vale a pena serem realizadas mais algumas pesquisas para garantir que isso esteja certo.

Este experimento ainda está longe de ser o mesmo que assistir a uma detonação de supernova de perto, mas os pesquisadores esperam que melhores observações da supernova e dos elementos que elas emitem os permitam entender melhor como as estrelas sofrem detonações, de acordo com o artigo.

Explosões são uma parte importante de nossas vidas – carros e aviões funcionam com motores de combustão e, às vezes, parece que nossas vidas inteiras podem ser levadas por um evento desses, tanto física quanto metaforicamente, a qualquer momento.

Mas este estudo mostra que mesmo nossas detonações terrenas podem ser importantes para nossa maior compreensão do cosmos.