Neutrinii ar putea decide soarta stelelor muribunde: supernovă sau gaură neagră
Când o stea masivă ajunge la finalul vieții sale, soarta ei se poate îndrepta spre unul dintre două scenarii radical diferite: fie explodează ca supernovă, lăsând în urmă o stea de neutroni, fie colapsează direct într-o gaură neagră. Ce anume determină acest deznodământ rămâne una dintre marile întrebări fără răspuns ale astrofizicii.
Un nou studiu arată că neutrinii — cunoscuți și drept „particule fantomă” — și capacitatea lor de a-și schimba „flavor-ul” ar putea juca un rol mult mai important în stabilirea soartei unei stele masive muribunde decât se credea anterior.
Această „schimbare de flavor” înseamnă că neutrinii trec de la un tip la altul. Tipul lor afectează modul în care interacționează cu materia din nucleul stelelor muribunde.
„Știm de mult timp că neutrinii pot trece între diferite flavor-uri. Dar, în general, presupuneam că acest lucru nu are niciun efect asupra rezultatului exploziei în sine. Noile noastre rezultate sugerează că acest flavor ne poate spune ceva despre soarta stelei”, explică Mariam Gogilashvili, cercetătoare postdoctorală la Institutul Niels Bohr și autoarea principală a studiului.
195 de simulări ale unor stele masive muribunde
Deși oamenii de știință cunosc de mulți ani fenomenul de conversie a flavor-ului neutrinilor, includerea lui în simulările de supernovă a fost prea solicitantă din punct de vedere computațional.
„Simularea morții unei stele masive este practic la frontiera a ceea ce putem face computațional în acest moment. Asta pentru că este o problemă care implică foarte multă fizică și este extrem de costisitoare din punct de vedere computațional”, spune Irene Tamborra, profesoară la Institutul Niels Bohr, șefa grupului de Astrofizică a Particulelor și coautoare a studiului.
În lucrarea lor publicată în revista Physical Review D, cele două astrofiziciene au dezvoltat un model simplificat pentru a investiga importanța schimbărilor de flavor ale neutrinilor în simulările de supernovă. Cercetătoarele au simulat colapsul a 195 de stele cu mase cuprinse între nouă și 120 de mase solare. Au comparat modele „cu” și „fără” conversie a flavor-ului neutrinilor și au investigat ce se întâmplă când procesul este declanșat la densități diferite în interiorul stelei. Apoi au evaluat dacă stelele au explodat ca supernove sau au colapsat în găuri negre.
Rezultatele au arătat că „comportamentul neutrinilor poate modifica semnificativ rezultatul”, în special pentru stelele cu mase între 16 și 30 de mase solare.
„A fost un moment cu adevărat captivant când am pus toate cele 195 de simulări una lângă alta și am văzut o întreagă gamă de stele trecând de la a exploda la a eșua. Vederea unui tipar atât de clar la atât de multe stele ne-a arătat că conversia flavor-ului neutrinilor este ceva ce pur și simplu nu putem ignora atunci când încercăm să înțelegem cum își încheie viața stelele masive”, spune Gogilashvili.
Mai aproape de înțelegerea misterelor astronomice
Rezultatele studiului sugerează că comportamentul neutrinilor ar putea ajuta la explicarea unor observații care i-au pus de mult timp în dificultate pe cercetători. Printre acestea se numără așa-numita „problemă a ratei supernovelor”, în care cercetătorii observă semnificativ mai puține supernove în univers decât prezic modelele teoretice.
„În mod normal, detectăm o supernovă pentru că explozia strălucește foarte puternic. Dar dacă o stea colapsează direct într-o gaură neagră fără o explozie vizibilă sau este ascunsă de praf, ea poate efectiv să „dispară” din numărătorile noastre. Rezultatele noastre sugerează așadar că există un mecanism care ar putea face astfel de „supernove eșuate” mai probabile”, spune Gogilashvili.
„Acest lucru nu ne-ar putea oferi doar instrumente mai bune pentru a prezice soarta unei stele muribunde, ci ar putea ajuta și la explicarea motivului pentru care observațiile nu corespund întotdeauna predicțiilor teoretice”, adaugă Tamborra.
Totul este conectat
Apropierea de înțelegerea a ceea ce se întâmplă când mor stelele nu este doar despre găuri negre și stele de neutroni, teorie și observații. Este și despre noi.
Stelele masive sintetizează elemente grele de-a lungul vieții lor. Când o stea explodează ca supernovă, aceste elemente sunt eliberate în univers, unde ulterior contribuie la formarea planetelor și a vieții.
„Când studiem cum trăiesc și mor stelele masive, investigăm totodată originile multora dintre elementele care alcătuiesc universul și pe noi înșine. În acest fel, întrebările despre stelele muribunde sunt legate de întrebări despre propria noastră origine”, încheie Tamborra.
