Нейтрино вирішують долю зорі: вибух чи чорна діра?

Доля масивної зорі наприкінці її життя може залежати від процесів, які майже неможливо побачити безпосередньо. Одним із таких чинників є поведінка нейтрино — надзвичайно легких частинок, що вільно проходять крізь речовину та утворюються у величезній кількості під час зоряного колапсу. Нове комп’ютерне моделювання показує: зміна внутрішнього стану нейтрино здатна впливати на те, чи завершиться загибель зорі потужним вибухом наднової, чи призведе до майже непомітного формування чорної діри.

Це питання має значення не лише для розуміння екстремальної фізики. Вибух наднової викидає у міжзоряний простір величезні обсяги речовини, зокрема важкі хімічні елементи. Саме з такого матеріалу згодом можуть формуватися нові зорі, планети та складні молекули. Якщо ж зоря колапсує без яскравого вибуху, значна частина її речовини може залишитися поблизу новонародженої чорної діри.

Астрономи давно намагаються пояснити, чому зорі приблизно схожої маси іноді демонструють різні фінали. В одних випадках після стискання ядра запускається ударна хвиля, яка розриває зорю, а в інших гравітація виявляється сильнішою, і колапс продовжується до утворення чорної діри. На результат впливають маса, хімічний склад, обертання та внутрішня будова зорі. Тепер до цього переліку пропонують додати ще й перетворення нейтрино.

Як нейтрино змінюють перебіг зоряного колапсу

Нейтрино існують у трьох основних різновидах, які у фізиці називають «смаками»: електронному, мюонному й тау-нейтрино. Під час руху ці частинки можуть переходити з одного типу в інший. У звичайних умовах такий процес складно помітити, однак у центрі зорі, що стискається, речовина досягає надзвичайної густини, а потоки нейтрино стають настільки інтенсивними, що їхня взаємодія набуває особливого значення.

Різні типи нейтрино по-різному обмінюються енергією з речовиною. Через це зміна їхнього «смаку» може впливати на те, де саме відкладається енергія та як прогріваються шари навколо ядра. Для вибуху наднової це критично важливо: ударна хвиля після стискання ядра повинна отримати достатню підтримку, щоб подолати гравітаційне тяжіння зовнішніх шарів.

Раніше вважалося, що перетворення нейтрино хоча й є важливим явищем мікросвіту, але навряд чи здатне помітно змінити остаточний результат зоряного колапсу. Однак нові розрахунки вказують на інше. У певних умовах зміна станів нейтрино може послабити або посилити процеси, від яких залежить запуск вибуху. У результаті зоря, яка без урахування цього механізму мала б вибухнути, у розрахунку може продовжити стискатися й перетворитися на чорну діру.

Водночас це не означає, що нейтрино самостійно «обирають» долю зорі. Йдеться про тонкий фізичний ефект, який проявляється у взаємодії з іншими процесами. Навіть невелика зміна умов у центрі зорі може мати великі наслідки, якщо система перебуває на межі між успішним вибухом і гравітаційним колапсом.

Що показало моделювання 195 зір

Дослідниці змоделювали еволюцію та загибель 195 масивних зір. Їхня початкова маса становила від 9 до 120 мас Сонця, тобто дослідження охопило широкий спектр можливих сценаріїв. Для кожної зорі порівнювали два варіанти розвитку подій: із врахуванням перетворення смаку нейтрино та без нього.

Повна симуляція зоряної смерті є надзвичайно складним завданням. Вона потребує одночасного опису гідродинаміки, ядерних реакцій, гравітації, перенесення енергії та поведінки частинок у надщільному середовищі. Тому науковці використали спрощену модель, яка дала змогу перевірити вплив нейтринних перетворень на великій кількості зоряних сценаріїв.

Особливо помітні відмінності з’явилися для зір із масами приблизно від 16 до 30 мас Сонця. Саме в цьому діапазоні деякі моделі демонстрували зміну фіналу. Без урахування нейтринних перетворень зоря могла завершити життя вибухом наднової, тоді як після додавання цього механізму колапс продовжувався до появи чорної діри.

Такий результат називають «перемиканням» або фліпом між різними сценаріями. Він не свідчить, що всі зорі певної маси неодмінно стануть чорними дірами. Натомість він показує: доля об’єкта може бути чутливою до деталей фізичної моделі. Навіть неврахований раніше процес здатен змістити баланс між вибухом і подальшим стисканням.

Автори наголошують, що отримані висновки потребують подальшої перевірки за допомогою складніших моделей. Реальні зорі мають різний хімічний склад, швидкість обертання, магнітні поля та неоднорідну структуру. Усі ці фактори можуть змінювати умови, за яких нейтрино впливають на розвиток колапсу.

Чому у Всесвіті може бути менше наднових

Спостереження показують, що астрономи реєструють менше вибухів наднових, ніж можна було б очікувати з кількості масивних зір, які завершують еволюцію. Одним із пояснень є існування так званих невдалих наднових. Це випадки, коли зоря починає колапсувати, але не створює яскравого вибуху, який можна було б легко зафіксувати на великих відстанях.

Якщо ядро зорі швидко стискається, а ударна хвиля не отримує достатньо енергії, зовнішні шари можуть не бути викинуті в космос. У центрі формується чорна діра, а сама подія виглядає набагато тьмянішою за звичайну наднову. Частину таких випадків можна пропустити через величезні відстані, космічний пил або короткочасність слабкого випромінювання.

Перетворення смаку нейтрино може допомогти пояснити, чому деякі зорі в критичному масовому діапазоні не вибухають. Якщо цей механізм справді підвищує ймовірність прямого колапсу в чорну діру, він стане важливим елементом моделей зоряної популяції. Завдяки цьому науковці зможуть точніше оцінювати кількість чорних дір, що утворюються у Всесвіті, та порівнювати розрахунки зі спостереженнями.

Наслідки стосуються й хімічної еволюції галактик. Наднові розсіюють у просторі кисень, кремній, залізо та інші елементи, вироблені всередині зір. Якщо частина масивних світил гине без вибуху, кількість речовини, яка потрапляє у міжзоряне середовище, буде іншою. Це впливає на подальше формування зір і планет та допомагає пояснити різноманіття хімічного складу космічних об’єктів.

Майбутні дослідження мають поєднати точніший опис нейтринних перетворень із тривимірними моделями зоряного колапсу. Важливу роль можуть відіграти й майбутні спостереження нейтрино від близької наднової. Такий сигнал дозволив би перевірити, як частинки поводяться в реальних умовах, і з’ясувати, чи справді їхні «смаки» здатні впливати на межу між вибухом зорі та народженням чорної діри.