Физики нашли возможное объяснение одной из главных загадок смерти массивных звезд: почему одни из них заканчивают жизнь сверхновыми и оставляют после себя нейтронные звезды, а другие без заметного взрыва коллапсируют в черные дыры. Ключевую роль, согласно новому исследованию, может играть способность нейтрино менять свой тип.

Нейтрино почти не взаимодействуют с обычным веществом, но при коллапсе звездного ядра их образуется огромное количество. Исследователи предполагают, что изменения их поведения могут заметно влиять на нагрев вещества вокруг ядра и тем самым определять судьбу всей звезды, рассказывает Space.com.

Почти вся энергия коллапса уходит в нейтрино

Когда массивная звезда исчерпывает топливо для термоядерных реакций, давление, поддерживавшее ее от собственного веса, ослабевает. Ядро начинает стремительно сжиматься. При экстремальных температурах и плотностях протоны и электроны объединяются, образуя нейтроны, а в процессе выделяется огромное количество нейтрино.

Эти частицы часто называют «призрачными», поскольку они крайне слабо взаимодействуют с веществом. Однако во время коллапса их становится настолько много, что часть из них сталкивается с веществом вокруг ядра и передает ему энергию.

Именно этот процесс может оказаться критическим. Если нагрев окажется достаточным, внешние слои звезды могут быть выброшены в мощном взрыве сверхновой, а на месте ядра останется нейтронная звезда. Если же взрыва не произойдет, продолжающийся коллапс может привести к образованию черной дыры.

«Нейтрино — не второстепенная деталь сверхновых. Они уносят около 99% энергии, высвобождающейся при коллапсе ядра, и небольшое изменение в их поведении может определить судьбу всей звезды», — отметила соавтор исследования Мариам Гогилашвили из Института Нильса Бора Копенгагенского университета.

Нейтрино способны менять «тип»

Существует три типа, или аромата, нейтрино: электронные, мюонные и тау-нейтрино. В 1998 году физики обнаружили, что эти частицы способны превращаться друг в друга — явление получило название нейтринных осцилляций. Это открытие принесло Нобелевскую премию по физике в 2015 году.

Для судьбы умирающей звезды это может иметь особое значение. Электронные нейтрино взаимодействуют с обычным веществом значительно активнее, чем мюонные и тау-нейтрино. Поэтому изменение соотношения между разными типами частиц способно влиять на количество энергии, передаваемой веществу вокруг коллапсирующего ядра.

Долгое время считалось, что подобный эффект слишком мал, чтобы заметно изменить процесс рождения сверхновой. Однако внутри коллапсирующей звезды возникает настолько высокая концентрация нейтрино, что они начинают взаимодействовать не только с веществом, но и друг с другом. Это создает дополнительные условия для изменения их типов.

Особенно уязвимыми оказались звезды массой 16–30 Солнц

Исследователи смоделировали коллапс 195 звезд с массами от 9 до 120 солнечных. В расчетах они использовали разные предположения о том, где и как происходит изменение типа нейтрино внутри ядра.

Результат оказался неожиданным: учет нейтринных осцилляций может сделать часть массивных звезд существенно менее склонной к взрыву. Вместо рождения сверхновой и нейтронной звезды они с большей вероятностью продолжают коллапсировать и превращаются в черные дыры.

Особенно чувствительными оказались звезды массой примерно от 16 до 30 Солнц. В стандартных моделях многие из них достаточно легко взрываются, однако после учета изменения типа нейтрино значительная часть таких звезд уже не достигает стадии сверхновой.

«Больше всего нас удивило, что звезды с массой от 16 до 30 солнечных масс оказались особенно чувствительны к физике нейтрино. Многие из них в стандартных моделях спокойно взрываются, но при учете изменения типа нейтрино этого не происходит», — рассказала соавтор работы Ирене Тамборра.

Это может объяснить исчезающие звезды и нехватку сверхновых

Если выводы подтвердятся, нейтринная физика способна помочь разобраться сразу с несколькими космическими загадками.

Астрономы наблюдают меньше сверхновых, чем предсказывают некоторые теоретические модели. Одно из возможных объяснений заключается в том, что часть массивных звезд вообще не взрывается: их ядра напрямую коллапсируют в черные дыры.

Это может быть связано и с загадкой исчезающих красных сверхгигантов. Наблюдения показывают, что некоторые очень массивные звезды словно пропадают, не оставляя после себя ожидаемой сверхновой. Один из возможных сценариев — непосредственный коллапс в черную дыру.

Изменение типа нейтрино может влиять и на свойства образующихся нейтронных звезд. Согласно расчетам исследователей, этот процесс способен приводить к формированию менее массивных нейтронных звезд, что потенциально согласуется с наблюдением объектов с массами ниже некоторых прежних теоретических оценок.

Следующий шаг — трехмерные модели

Пока результаты основаны на моделировании и требуют дальнейшей проверки. Исследователи планируют перейти к более реалистичным трехмерным расчетам, в которых изменение типов нейтрино будет происходить непосредственно во времени по мере коллапса звезды.

Такие модели должны показать, насколько сильно нейтринные осцилляции влияют на реальный механизм взрыва и при каких условиях звезда переходит от сценария сверхновой к образованию черной дыры.

Если эффект подтвердится, нейтрино окажутся не просто побочным продуктом гибели массивной звезды, а одним из факторов, способных определить ее конечную судьбу.