Od czego zależy, czy gwiazda po śmierci stanie się czarną dziurą czy gwiazdą neutronową?

Nowe badanie pokazuje, że neutrina mogą wpływać na to, w co zamieniają się gwiazdy po śmierci. Ich zdolność do przechodzenia z jednego typu w inny może być jednym z czynników wpływających na to, czy masywny obiekt eksploduje jako supernowa, pozostawiając po sobie gwiazdę neutronową, czy zapadnie się i utworzy czarną dziurę.

W co zamieniają się gwiazdy po śmierci

.Jak opisują astronomowie, gdy gwiazda zbliża się do końca swojego życia, może eksplodować jako supernowa, pozostawiając po sobie gwiazdę neutronową, albo zapaść się i stać czarną dziurą. Jednak to, co decyduje o jej losie, pozostaje jedną z nierozwiązanych zagadek astrofizyki.

W ramach nowego badania naukowcy z University of Copenhagen odkryli, że neutrina oraz ich zdolność do zmiany „zapachu” mogą odgrywać znacznie większą rolę w określaniu tego, co może się stać z umierającą masywną gwiazdą. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie „Physical Review D”.

Astrofizycy wskazują, że „zmiana zapachu”, czyli „konwersja zapachu neutrin” („neutrino flavor conversion”), oznacza, że neutrina przechodzą z jednego typu w inny. Ich rodzaj, czyli „zapach”, wpływa na sposób, w jaki oddziałują z materią w jądrach umierających gwiazd.

Naukowcy od dawna wiedzą o możliwości przechodzenia neutrin między różnymi „zapachami”. Dotychczas zakładano jednak, że proces ten nie wpływa na wynik samej eksplozji. Jednak nowe wyniki wskazują, że rodzaj neutrin może dostarczać informacji o losie gwiazdy. Również uwzględnienie „konwersji zapachu neutrin” w symulacjach supernowych było zbyt wymagające pod względem obliczeniowym.

Neutrina mogą wpływać na los umierających gwiazd

.Zdaniem badaczy już samo symulowanie śmierci masywnej gwiazdy znajduje się obecnie na granicy możliwości obliczeniowych. Problem ten wymaga uwzględnienia wielu złożonych procesów fizycznych, a jego obliczenie jest niezwykle kosztowne. W czasie nowej analizy astrofizycy opracowali uproszczony model, aby zbadać znaczenie zmian „zapachu” neutrin w symulacjach supernowych.

Naukowcy przeprowadzili symulacje zapadania się 195 gwiazd o masach od dziewięciu do 120 razy większych od masy Słońca. Porównali modele z „konwersją zapachu neutrin” i bez niej oraz sprawdzili, co się dzieje, gdy proces ten zostaje uruchomiony przy różnych gęstościach wewnątrz gwiazdy.

Naukowcy przeprowadzili 195 symulacji

.Następnie ocenili, czy gwiazdy eksplodowały jako supernowe, czy zapadły się, tworząc czarne dziury. Wyniki pokazały, że zachowanie neutrin może znacząco zmienić wynik, szczególnie w przypadku obiektów o masach od 16 do 30 mas Słońca. Zdaniem badaczy tak wyraźny wzorzec obserwowany w przypadku tak wielu gwiazd wskazał, że nie powinno się pomijać „konwersji zapachu neutrin”, jeśli chce się zrozumieć, w jaki sposób masywne gwiazdy kończą swoje życie.

Wyniki sugerują, że zachowanie neutrin może pomóc wyjaśnić obserwacje, które od dawna stanowią wyzwanie dla naukowców. Należy do nich tak zwany „problem częstości występowania supernowych” („supernova rate problem”), który polega na tym, że astronomowie obserwują znacznie mniej supernowych we Wszechświecie, niż przewidują modele teoretyczne.

Dlaczego astronomowie obserwują mniej supernowych

.Astrofizycy wyjaśniają, że supernowe zazwyczaj wykrywane są dzięki temu, że eksplozje te są niezwykle jasne. Jeżeli jednak gwiazda zapadnie się bezpośrednio do czarnej dziury bez widocznego wybuchu lub zostanie przesłonięta przez pył, może pozostać niezauważona. Wyniki badań wskazują więc na istnienie mechanizmu, który może sprawiać, że takie „nieudane supernowe” są częstsze.

Naukowcy dodają, że może to nie tylko dostarczyć lepszych narzędzi do przewidywania losu umierających gwiazd, ale również pomóc wyjaśnić, dlaczego obserwacje nie zawsze odpowiadają przewidywaniom teoretycznym.

Badanie śmierci gwiazd nie tylko pozwala lepiej zrozumieć czarne dziury i gwiazdy neutronowe, ale również ewolucję galaktyk, a także powstanie życia. Masywne gwiazdy syntezują ciężkie pierwiastki w ciągu swojego życia, a gdy eksplodują jako supernowe, rozpraszają je po Wszechświecie, gdzie później pomagają formować planety oraz, jak w przypadku Ziemi, organizmy.

Emil Gołoś