Гігантська зоря гине, її ядро стискається, назовні рухається ударна хвиля — і тут у гру вступають нейтрино. Але нове моделювання показало: ці невловимі частинки можуть не лише допомагати зорі вибухнути. Через зміну своєї «ідентичності» вони здатні відводити енергію так, що вибух не відбувається.
Це може бути важливо для пояснення однієї з давніх проблем астрофізики: чому наднових спостерігається менше, ніж мало б бути.
Що відбувається із зорею перед вибухом
Коли масивна зоря вичерпує паливо у своєму ядрі, ядерні реакції вже не можуть достатньо протидіяти гравітації. Ядро починає стрімко стискатися.
У результаті формується надщільний залишок — нейтронна зоря або, якщо маси достатньо, чорна діра.
Під час цього процесу утворюється величезна кількість нейтрино. Вони майже не взаємодіють із речовиною, але їх настільки багато, що частина все ж передає енергію речовині навколо ядра.
Саме це може допомогти ударній хвилі подолати гравітацію та рознести зовнішні шари зорі. Тоді ми бачимо наднову.
Якщо ж механізм не спрацьовує, зоря може просто продовжити колапсувати, а значна частина її речовини впаде на ядро.
Нейтрино можуть змінювати свою «особистість»
Ось тут з’являється найцікавіша деталь.
Нейтрино існують у трьох типах, або «ароматах»: електронному, мюонному та тау-нейтрино. Але частинка не обов’язково залишається одним типом протягом усього шляху.
Вона може переходити між ними — явище називається нейтринними осциляціями.
Якщо спростити, нейтрино поводиться не як кулька з назавжди закріпленою характеристикою, а радше як квантова система, яка під час руху може змінювати те, як вона взаємодіє з навколишньою матерією.
А це критично важливо саме всередині наднової.
Чому зміна типу нейтрино може зупинити вибух
Різні типи нейтрино по-різному взаємодіють із речовиною.
Дослідниці Маріам Гогілашвілі та Ірене Тамборра з Копенгагенського університету вирішили перевірити, що станеться, якщо врахувати цю властивість у моделях колапсу масивних зір.
Вони використали спрощену модель, у якій енергія нейтрино розподіляється між шістьма типами частинок — трьома нейтрино та трьома відповідними антинейтрино.
Потім дослідниці змоделювали загибель майже 200 зір із масами від 9 до 120 мас Сонця.
Результат виявився неоднозначним.
Через осциляції більша частина енергії переходила до важчих лептонних нейтрино — тобто неелектронних типів. Через це менше енергії передавалося речовині за ударною хвилею.
У певних випадках цього виявлялося недостатньо для запуску вибуху.
Особливо цікава група — зорі у 15–30 разів масивніші за Сонце
Найпомітніший ефект модель показала для зір із масами приблизно 15–30 Сонць.
Цікаво, що саме цей діапазон перетинається з масами червоних надгігантів.
Астрономічні спостереження показують, що таких зір серед відомих попередників наднових менше, ніж очікувалося. Нова модель дає можливий фізичний механізм, який міг би допомогти пояснити цю невідповідність.
Але це поки не готове пояснення.
Модель має серйозні обмеження
Автори не намагалися відтворити кожну деталь процесів усередині реальної наднової.
Модель значно спрощує нейтринні осциляції та не враховує, зокрема, конвекцію речовини нейтронної зорі.
Результати також дуже залежать від того, яку густину використовувати для визначення межі ударної хвилі. За одним із варіантів у моделі майже 90% зір не вибухали — самі автори вважають такий результат, імовірно, нереалістичним.
Тобто це не прогноз того, що дев’ять із десяти реальних зір просто перетворюються на чорні діри.
Це демонстрація того, наскільки сильно зміна властивостей нейтрино може впливати на результат моделювання.
Що станеться, якщо зоря не вибухне
Наслідки можуть бути значними.
Якщо вибух не викидає зовнішні шари зорі в космос, значно більше речовини залишається біля центрального залишку.
У результаті нейтронна зоря може набрати достатню масу, щоб перетворитися на чорну діру.
Це також впливає на масу самої чорної діри. Саме тут новий механізм потенційно пов’язується з іншою загадкою — нерівномірним розподілом мас чорних дір, які астрономи виявляють через гравітаційні хвилі.
Дослідники поки не стверджують, що саме нейтринні осциляції пояснюють ці спостереження. Їхня робота показує лише можливий зв’язок, який варто перевірити складнішими моделями.
💡 Цікаво знати
Нейтрино настільки слабко взаємодіють із речовиною, що величезна їх кількість може проходити крізь зорю майже без взаємодії.
Але під час колапсу масивної зорі нейтрино виробляється настільки багато, що навіть невелика частка взаємодій стає вирішальною для енергетичного балансу вибуху.
Саме тому частинки, які зазвичай майже «не помічають» речовину, можуть впливати на долю цілої зорі.
❓ Чи означає це, що вчені нарешті пояснили, чому деякі зорі не стають надновими?
Ні.
Нова робота пропонує можливий механізм, але її модель занадто спрощена, щоб вважати проблему вирішеною.
Її цінність в іншому: вона показує, що властивість нейтрино, яку не можна ігнорувати — здатність змінювати свій тип, — потенційно може змінювати сам результат колапсу зорі.
Саме тому автори вважають результати підставою для створення значно складніших моделей.
Чому це важливо
Наднові — один із ключових механізмів, через які важкі елементи та речовина зорі потрапляють у космос. Розуміння того, чому одні зорі вибухають, а інші можуть колапсувати без яскравої наднової, важливе для пояснення еволюції зір і утворення чорних дір.
Нова модель додає до цієї картини ще одну змінну: нейтрино можуть впливати на долю зорі не лише своєю кількістю, а й тим, у якому стані вони перебувають.
Як повідомляє NNews із посиланням на Ars Technica, дослідниці показали, що зміна «ідентичності» нейтрино здатна помітно впливати на передачу енергії ударній хвилі.
І в цьому полягає головна загадка: частинки, які майже не взаємодіють із матерією, можуть зрештою визначати, чи закінчиться смерть масивної зорі грандіозним вибухом — чи тихим колапсом у чорну діру.
