Попри те, що нейтрино важко реєструвати, ці частинки виникають у великій кількості під час деяких найбурхливіших подій у Всесвіті. Одна з їхніх найдивніших властивостей полягає в тому, що вони можуть спонтанно змінюватися між трьома типами, або «ароматами»: явище, відоме як нейтринні коливання, котре досі слабко вивчене в екстремальних астрофізичних середовищах.

Завдяки новому дослідженню, результати якого опубліковано в журналі Physical Review Letters, група науковців під керівництвом Рюїчіро Акахо (Ryuichiro Akaho) з Васедівського університету в Токіо та їхні колеги знайшла переконливі докази того, що особливо швидка форма цієї зміни чи перемикання, яку називають «швидке перетворення аромату», відіграє центральну роль у тому, чи вибухне зоря, котра колапсує, як наднова.

Швидке перетворення аромату

Коли масивна зоря вичерпує своє ядерне паливо, її ядро ​​руйнується під дією сили тяжіння та утворює гарячий, щільний об’єкт, який в астрономії називають протонейтронною зорею. Руйнування спричиняє появу ударної хвилі, яка, якщо вона достатньо потужна, розриває зірку на частини. Саме за такої умови трапляється наднова з колапсом ядра.

Хоча нейтрино, що утворюються в ядрі, яке колапсує, є основним носієм енергії, лише певні аромати взаємодіятимуть достатньо сильно з навколишньою матерією, щоб нагріти її. Як результат, коливання нейтрино відіграють головну роль у цьому процесі: якщо нейтрино змінюють аромати в невідповідний момент, нагрівання може припинитися, і вибух не відбудеться.

В одній з форм коливань, що називається «швидке перетворення аромату» (fast flavor conversion), щільні рої нейтрино запускають колективні перемикання аромату за надзвичайно короткі проміжки часу. Астрономи, спираючись на нині наявні теорії, прогнозують, що цей процес має бути особливо важливим для наднових з колапсом ядра. Однак досі такий процес є надзвичайно складним для вивчення.

Перетворення може відбуватися на відстанях лише в сантиметри та в часових масштабах наносекунд, що значно нижче роздільної здатності, яку можуть досягти сучасні комп’ютерні моделі чи симуляції наднових.

Моделювання колапсу

Для дослідження група Акахо створила теоретичні моделі зір різної маси, що зазнають колапсу. У цих моделях вони реалізували можливість докладного аналізу швидкого перетворення ароматів, щоб відстежити, як нейтрино рухаються та взаємодіють у всіх напрямках. Такий підхід вимагав суттєво більших обчислень, ніж стандартні методи, але він дав змогу науковцям зафіксувати розподіл нейтрино набагато докладніше та з меншою кількістю припущень.

Дослідники виявили: результат тісно пов’язаний зі швидкістю падіння матеріалу всередину протонейтронної зорі, тобто з величиною, яку називають «швидкість акреції маси». Коли темп акреції низький, швидке перетворення аромату збільшує енергію, що виділяється нейтрино, і допомагає спровокувати вибух. Навпаки, коли він високий, перетворення достатньо зменшує загальний вихід нейтрино, щоб натомість придушити вибух.

Застережливе повідомлення

Група Акахо виявила, що простіші, менш докладні методи аналізу поведінки нейтрино можуть як не враховувати справжнє швидке перетворення аромату, так і передбачати його генерацію там, де вона насправді не відбувається. Такі обставини потенційно спотворюють прогнози щодо того, вибухне зоря чи тихо колапсує.

Для астрономів ці висновки зрештою свідчать про те, що для визначення справжньої ролі коливань нейтрино у процесі вибуху зорі потрібні складніші моделі, навіть за умови значних обчислювальних витрат.

За інф. з сайту https://phys.org

Від редактора: ця інформація доповнює те, про що йдеться у відеоролику «Наднова Бетельгейзе: коли, як, наслідки для землян», який вміщено на ютуб-каналі «Наше небо».