Co dzieje się z masywną gwiazdą pod koniec jej życia
Kiedy masywna gwiazda osiąga końcowy etap ewolucji, może zakończyć swoje istnienie wybuchem supernowej, po którym pozostaje gwiazda neutronowa, albo zapaść się bezpośrednio do czarnej dziury. Mechanizm decydujący o tym, który z tych scenariuszy nastąpi, nadal pozostaje nierozwiązanym problemem astrofizyki.
Badacze z University of Copenhagen ustalili, że neutrina i możliwość zmiany ich „zapachu” mogą odgrywać większą rolę, niż dotąd zakładano, w określaniu dalszego losu umierającej masywnej gwiazdy. Wyniki pracy opublikowano w czasopiśmie „Physical Review D”.
Określenie „zmiana zapachu”, znane również jako „konwersja zapachu neutrin” („neutrino flavor conversion”), odnosi się do przechodzenia neutrin między różnymi typami. Ich „zapach” ma znaczenie dla sposobu, w jaki cząstki te oddziałują z materią znajdującą się w jądrach umierających gwiazd.
Możliwość przechodzenia neutrin między różnymi „zapachami” jest znana naukowcom od dawna. Wcześniej przyjmowano jednak, że zjawisko to nie zmienia rezultatu eksplozji. Najnowsze wyniki sugerują natomiast, że rodzaj neutrin może mieć związek z końcowym losem gwiazdy. Uwzględnienie „konwersji zapachu neutrin” w modelach supernowych było przy tym zbyt wymagające obliczeniowo.
Badanie wpływu neutrin na końcowy etap życia gwiazd
Jak wskazują naukowcy, nawet samo modelowanie śmierci masywnej gwiazdy wymaga obecnie mocy obliczeniowych znajdujących się na granicy dostępnych możliwości. Konieczne jest bowiem uwzględnienie licznych skomplikowanych procesów fizycznych, co sprawia, że wykonanie takich obliczeń jest bardzo kosztowne. W ramach nowego badania astrofizycy przygotowali uproszczony model pozwalający sprawdzić znaczenie zmian „zapachu” neutrin w symulacjach supernowych.
Badacze zasymulowali zapadanie się 195 gwiazd, których masy wynosiły od dziewięciu do 120 mas Słońca. Następnie zestawili ze sobą modele uwzględniające „konwersję zapachu neutrin” oraz takie, w których jej nie zastosowano. Sprawdzili także rezultaty przy uruchamianiu tego procesu przy różnych gęstościach występujących we wnętrzu gwiazd.
195 modeli śmierci masywnych gwiazd
W kolejnym etapie naukowcy sprawdzili, które z badanych gwiazd zakończyły się eksplozją supernowej, a które zapadły się i utworzyły czarne dziury. Analiza wykazała, że zachowanie neutrin może wyraźnie wpływać na rezultat, zwłaszcza dla gwiazd o masach od 16 do 30 mas Słońca. Zdaniem badaczy powtarzalność tego wzorca w przypadku tak dużej liczby gwiazd pokazuje, że „konwersja zapachu neutrin” nie powinna być pomijana przy analizowaniu sposobu, w jaki masywne gwiazdy kończą swoje istnienie.
Rezultaty mogą również pomóc w wyjaśnieniu obserwacji, które od dawna są problemem dla naukowców. Jedną z nich jest tak zwany „problem częstości występowania supernowych” („supernova rate problem”), związany z obserwowaniem przez astronomów mniejszej liczby supernowych we Wszechświecie, niż wynikałoby z przewidywań modeli teoretycznych.
Skąd bierze się mniejsza liczba obserwowanych supernowych
Supernowe są zazwyczaj wykrywane dzięki bardzo dużej jasności towarzyszącej ich eksplozjom. Jeśli jednak gwiazda zapadnie się bezpośrednio do czarnej dziury i nie dojdzie do widocznego wybuchu albo eksplozję zasłoni pył, takie zdarzenie może nie zostać zaobserwowane. Wyniki badania wskazują zatem na mechanizm, który może prowadzić do częstszego występowania takich „nieudanych supernowych”.
Według naukowców może to zapewnić nie tylko dokładniejsze narzędzia do określania przyszłego losu umierających gwiazd, lecz także pomóc w wyjaśnieniu rozbieżności między wynikami obserwacji a przewidywaniami teoretycznymi.
Analizowanie śmierci gwiazd pozwala lepiej poznawać nie tylko czarne dziury i gwiazdy neutronowe, lecz także ewolucję galaktyk oraz powstawanie życia. W trakcie swojego życia masywne gwiazdy wytwarzają ciężkie pierwiastki. Podczas eksplozji supernowych pierwiastki te zostają rozproszone we Wszechświecie, a później uczestniczą w formowaniu planet oraz, tak jak na Ziemi, organizmów.
Mariusz Drzewiecki
