Нейтрино решают судьбу гигантских звезд: быть взрыву или коллапсу

Уникальный набор осцилляций частиц может, подобно подброшенной монете, определять судьбу крупнейших звезд во Вселенной. Новое моделирование, проведенное группой физиков из Университета Васэда в Токио, показывает, что квантовые колебания крошечных частиц, известных как нейтрино, играют решающую роль в том, взорвется ли массивная звезда сверхновой или бесшумно коллапсирует в ничто.

Загадка нейтрино и их преобразований

Хотя исследователи признают, что их модель требует доработки, полученные данные указывают на неполноту существующих описаний коллапсов сверхновых, если в них не учитываются тонкие изменения свойств нейтрино.

Нейтрино не зря называют «частицами-призраками». Обладая почти нулевой массой и не имея электромагнитного заряда, они крайне слабо взаимодействуют с другими частицами, хотя и заполняют космос в огромных количествах.

Известно, что нейтрино существуют в трех формах, или «ароматах» (видах), каждый из которых связан с элементарными частицами: электроном, мюоном и тау-лептоном. Более полувека назад стало ясно, что квантовая природа отдельных нейтрино заставляет их осциллировать, то есть переходить между этими ароматами в процессе движения.

Глубоко внутри плотных слоев умирающей звезды рои нейтрино мгновенно обмениваются ароматами на расстояниях, измеряемых долями сантиметра. Эти «быстрые преобразования ароматов» нельзя игнорировать в экстремальных условиях звездного ядра, однако, по словам исследователей, предыдущие симуляции давали противоречивые результаты.

Новый подход к моделированию

В новой попытке понять динамику нейтрино ученые применили ранее неиспользованную модель, известную как «субсетка» (subgrid). Она позволила им описать процессы, которые невозможно было точно детализировать в рамках обычных вычислительных моделей.

Используя этот новый подход, команда показала, как быстрые преобразования ароматов внутри плотного ядра массивной звезды приводят к одному из двух исходов: взрыву сверхновой с коллапсом ядра или так называемому «неудачному» взрыву.

Два возможных исхода: сверхновая или черная дыра

Сверхновые с коллапсом ядра — одни из самых мощных событий во Вселенной. За считанные секунды они высвобождают столько энергии, сколько наше Солнце выработает за всю свою жизнь. Отдача от коллапсирующего ядра выбрасывает тяжелые элементы далеко в окружающее пространство, оставляя после себя плотный шар материи, известный как нейтронная звезда.

В противоположном сценарии ядро может избежать мощного отскока и навсегда коллапсировать в черную дыру, спокойно и бесшумно сбрасывая свои слои горячего газа.

Какой именно сценарий произойдет, зависит от термодинамики ядра, или «прото-нейтронной звезды». Это, в свою очередь, определяется точным взаимодействием различных ароматов нейтрино, проходящих сквозь скопление атомных ядер.

Исследователи выяснили, что ключевую роль играет скорость сжатия материи в ядре. Более медленная аккреция (накопление) материала позволяет быстрым преобразованиям ароматов выделить достаточно тепла для запуска сверхновой. Быстрое же накопление с большей вероятностью приведет к неудачному взрыву.

По мере того как нейтринные обсерватории, такие как эксперимент ICE в Антарктиде, продолжают собирать данные о нейтрино, поступающих сверху и проходящих через нашу планету, можно будет узнать больше о роли этих мельчайших частиц физики в самых мощных астрономических явлениях.

Результаты этого исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Твитнуть