«Частицы-призраки» объясняют, взорвутся звезды или превратятся в черные дыры

Фото из открытых источников

Новое исследование показало, что способ, которым призрачные частицы, известные как нейтрино, могут переключаться между различными типами, может помочь объяснить, какие звезды взрываются, а какие коллапсируют, образуя черные дыры. Статья с результатами исследования была опубликована в журнале Physical Review D.

Эти новые открытия также могут помочь объяснить ряд других космических загадок, например, почему астрономы обнаружили меньше сверхновых, чем ожидалось.

Когда массивная звезда, наконец, исчерпает свой запас топлива, и ядерные реакции перестанут приводить её к расширению, её ядро схлопнется под собственной тяжестью. Чрезвычайно высокая температура и давление, возникающие в результате этого коллапса, сожмут протоны и электроны, образуя нейтроны. Это, в свою очередь, высвободит поток призрачных частиц, известных как нейтрино.

В целом, нейтрино практически не взаимодействуют со всеми формами материи. Однако, когда ядро массивной звезды коллапсирует, оно высвобождает ошеломляющее количество нейтрино — достаточное для того, чтобы многие из них столкнулись со слоями, расположенными непосредственно за ядром звезды, и нагрели их. В некоторых случаях такой нейтринный нагрев может привести к взрыву остальной части звезды в виде сверхновой, оставив после себя чрезвычайно плотное скопление нейтронов, известное как нейтронная звезда. В других случаях нейтринный нагрев не приводит к взрыву, и звезда коллапсирует, образуя черную дыру.

«Нейтрино — это не второстепенная деталь в сверхновых», — сказала соавтор исследования Мариам Гогилашвили из Института Нильса Бора при Копенгагенском университете в Дании. «Они уносят около 99% энергии, высвобождаемой при коллапсе ядра, и небольшое изменение в их поведении может решить судьбу всей звезды».

Многое остается неясным относительно того, какие массивные звезды взрываются, порождая нейтронные звезды , а какие коллапсируют, образуя черные дыры. Раскрытие этих деталей могло бы помочь пролить свет на широкий спектр явлений в космосе, например, на то, как умирающие звезды заполнили Вселенную материей, из которой сегодня состоит все — от планет до людей.

Чтобы разгадать эти загадки, учёные исследовали роль, которую может играть странная природа нейтрино. Существует три «типа» нейтрино — электрон, мюон и тау — названные в честь типа частиц, которые генерирует каждый тип при столкновении с материей. В 1998 году физики обнаружили, что нейтрино могут «колебаться», то есть переходить из одного типа в другой, за что в 2015 году им была присуждена Нобелевская премия по физике. (Существуют три соответствующих типа антинейтрино, которые также могут менять свой тип.)

Как мюонные, так и тау-нейтрино (и антинейтрино) гораздо реже взаимодействуют с обычной материей, чем электронные нейтрино (и антинейтрино). Это позволяет предположить, что изменение аромата нейтрино может потенциально влиять на то, насколько сильно нейтрино способны нагревать материю в умирающей звезде и вызывать взрыв.

Ранее ученые считали, что изменение аромата играет лишь незначительную роль в процессе коллапса умирающих звезд. Однако за последнее десятилетие физики обнаружили, что, учитывая поразительно большое количество нейтрино, генерируемых умирающими звездами, многие из них сконцентрированы достаточно сильно, чтобы взаимодействовать друг с другом, вызывая изменения аромата в ядре коллапсирующей звезды.

В новом исследовании ученые смоделировали коллапс 195 звезд, размер которых варьировался от девяти до 120 солнечных масс. Они проанализировали различные предположения о том, где происходит преобразование ароматов нейтрино в ядрах коллапсирующих звезд.

Ученые обнаружили, что изменение типа нейтрино может значительно снизить вероятность взрыва умирающих массивных звезд в виде сверхновых и образования нейтронных звезд, а также повысить вероятность их коллапса с образованием черных дыр.

«Больше всего нас удивило то, что звезды массой от 16 до 30 масс Солнца, многие из которых легко взрываются в наших стандартных симуляциях, оказались особенно чувствительными к физике нейтрино», — рассказала соавтор исследования Ирен Тамборра из Института Нильса Бора при Копенгагенском университете в Дании. «Большое количество из них не поддаются анализу, если учесть преобразование ароматов».

Эти новые открытия могут помочь разгадать ряд давних загадок. Например, астрономы обнаружили меньше сверхновых, чем предсказывалось теоретически — изменение типа нейтрино может помочь объяснить эти результаты, сказал Гогилашвили. Изменение типа нейтрино также может помочь выяснить, почему самые большие красные сверхгиганты, кажется, исчезают, не вызывая взрывов сверхновых — они могут коллапсировать, превращаясь в черные дыры.

Кроме того, ученые предположили, что изменение аромата нейтрино может привести к появлению менее массивных нейтронных звезд. Это может помочь объяснить, почему астрономы обнаружили нейтронные звезды с меньшей массой, чем предполагалось ранее в теории, говорит Тамборра.

В будущем ученые планируют включить в трехмерные компьютерные симуляции массивных звезд более реалистичные модели поведения нейтрино, чтобы изменение типа нейтрино начиналось и развивалось с течением времени по мере гибели звезд.