Частицы-призраки могут увеличить производство золота при столкновениях звезд

Фото из открытых источников

Трансформация нейтрино при слиянии нейтронных звезд может иметь решающее значение для формирования хода событий столкновения. Новое исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Группа физиков впервые смоделировала изменение аромата нейтрино во время слияния. Результаты показывают, что изменение параметров и результатов этих преобразований также влияет на результаты слияния, включая тяжёлые элементы r-процесса, такие как золото и платина, образовавшиеся в результате мощного взрыва килоновой.

Фактически, если полностью исключить из моделирования нейтринные преобразования, производство тяжелых элементов снижается на целый порядок.

«Предыдущие моделирования слияний двойных нейтронных звезд не учитывали трансформацию аромата нейтрино», — говорит И Цю из Университета штата Пенсильвания. «Это отчасти связано с тем, что этот процесс происходит в масштабах наносекунд и его очень трудно зафиксировать, а отчасти с тем, что до недавнего времени мы недостаточно знали о теоретической физике, лежащей в основе этих преобразований, которые выходят за рамки стандартной модели физики. В наших новых симуляциях мы обнаружили, что степень и место смешивания и преобразования нейтрино влияют на вещество, выбрасываемое в результате слияния, на структуру и состав того, что остаётся после слияния – остатка – а также на вещество вокруг него».

Нейтрино, получившие название «частиц-призраков» из-за своей невероятно малой массы и ограниченного взаимодействия с другими частицами, бывают трех «видов», соответствующих частицам, с которыми они связаны: электрон, мюон и тау.

Квантовые эффекты заставляют мельчайшие частицы колебаться между ароматами во время движения, и их окончательная форма влияет на их взаимодействие с любыми встречающимися частицами. В экстремальных условиях такой обмен ароматами может иметь большое значение.

Столкновения нейтронных звёзд, безусловно, можно отнести к экстремальным явлениям, поскольку в них участвуют одни из самых плотных объектов во Вселенной. Цю и его коллеги моделировали превращения нейтрино во время столкновений нейтронных звёзд, корректируя различные параметры, включая сами превращения.

Особое внимание они уделили преобразованию электронного нейтрино в мюонный, которое является наиболее значимым преобразованием в среде слияния.

Известно, что столкновения нейтронных звёзд – это своего рода фабрики по производству тяжёлых элементов. Синтез, происходящий внутри звёздных ядер, может производить только элементы вплоть до железа; r-процесс, или процесс быстрого захвата нейтронов, используется для производства некоторых других элементов, таких как золото, уран и стронций.

«Нейтрино электронного типа могут взять нейтрон, одну из трёх основных частей атома, и преобразовать его в две другие: протон и электрон. Но нейтрино мюонного типа не могут этого сделать. Таким образом, преобразование ароматов нейтрино может изменить количество нейтронов, доступных в системе, что напрямую влияет на образование тяжёлых металлов и редкоземельных элементов», — объясняет Дэвид Радис из Университета штата Пенсильвания. «Все еще остается много нерешенных вопросов о космическом происхождении этих важных элементов, и мы обнаружили, что учет смешивания нейтрино может увеличить производство элементов в 10 раз».

Преобразования нейтрино также могут увеличить яркость гравитационных волн после слияния до 20 процентов; однако многое ещё остаётся неизвестным. Например, исследователи не уверены точно, как и когда происходят эти преобразования при слиянии нейтронных звёзд. Уточнённое моделирование может помочь ответить на эти вопросы.

«Наше текущее понимание предполагает, что они весьма вероятны, и наше моделирование показывает, что если они произойдут, то могут иметь серьезные последствия, поэтому важно включить их в будущие модели и анализы», — говорит Цю.