Частицы-призраки подскажут, какие звёзды взрываются, а какие становятся чёрными дырами
Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review D, показало: неуловимые частицы нейтрино, которые почти не взаимодействуют с материей, могут определять судьбу массивных звёзд. От их поведения зависит, вспыхнет ли звезда как сверхновая или молча сожмётся в чёрную дыру.
Когда у массивной звезды заканчивается топливо, её ядро под собственным весом мгновенно обрушивается внутрь. Температура и давление при этом настолько велики, что протоны и электроны слипаются, превращаясь в нейтроны. Этот процесс высвобождает огромный поток нейтрино — «частиц-призраков», которые проходят сквозь почти любое вещество, почти не оставляя следа.
Но именно нейтрино способны разогревать слои вокруг ядра. Если нагрева достаточно, звезда сбрасывает оболочку и взрывается сверхновой, оставляя после себя плотный нейтронный «шарик» — нейтронную звезду. Если нет — коллапс продолжается, и рождается чёрная дыра.
«Нейтрино — не второстепенная деталь в сверхновых. Они уносят около 99% энергии, выделяющейся при коллапсе ядра, и небольшое изменение в их поведении может решить судьбу всей звезды», — объясняет соавтор работы Мариам Гогилашвили из Института Нильса Бора Копенгагенского университета.
Нейтрино бывают трёх «видов» — электронный, мюонный и тау. Ещё в 1998 году учёные выяснили, что эти частицы могут переходить из одного вида в другой. За это открытие позже дали Нобелевскую премию. Мюонные и тау-нейтрино куда хуже взаимодействуют с обычной материей, чем электронные. А значит, смена «вида» может влиять на то, насколько эффективно нейтрино разогревают умирающую звезду.
Раньше считалось, что этот эффект пренебрежимо мал. Однако за последнее десятилетие физики поняли: нейтрино в коллапсирующем ядре так много и они так близко друг к другу, что начинают активно взаимодействовать между собой и менять вид прямо внутри звезды.
В новой работе исследователи смоделировали коллапс 195 звёзд массой от 9 до 120 солнечных. Они проверили разные варианты того, где именно в ядре происходит смена вида нейтрино. Результат оказался неожиданным: этот эффект заметно снижает шансы звезды взорваться сверхновой и повышает вероятность её превращения в чёрную дыру.
Особенно чувствительными оказались звёзды массой от 16 до 30 солнечных. Многие из них в стандартных расчётах спокойно взрывались, но стоило учесть смену вид нейтрино — и они «проваливались» в чёрную дыру.
Это открытие может объяснить давнюю загадку: астрономы наблюдают меньше сверхновых, чем предсказывают теории. Возможно, часть звёзд просто тихо исчезает, превращаясь в чёрные дыры, без яркой вспышки. Кроме того, новый эффект помогает понять, почему среди найденных нейтронных звёзд есть менее массивные, чем ожидалось.
В будущем учёные хотят добавить более реалистичные модели поведения нейтрино в трёхмерные симуляции массивных звёзд, чтобы смена вида происходила постепенно, по мере гибели светила.
