До недавнего времени такие варианты оставались лишь теоретической возможностью.
Столкновение двух нейтронных звзд — одно из самых энергетически мощных событий во Вселенной, которое можно наблюдать даже на Земле. Эти сверхплотные остатки погибших светил, каждая размером с город, но тяжелее Солнца, врезаются друг в друга и высвобождают чудовищные энергии. Именно в такие моменты рождаются тяжелые элементы, включая золото и платину. Но, как выяснили ученые, ключевую роль в этом космическом событии играют не только гравитация и огненные выбросы, но и невидимые частицы — нейтрино.
Группа исследователей из Университета штата Пенсильвания и Университета Теннесси показала, что поведение нейтрино способно менять сам сценарий слияния. Их работа опубликована в Physical Review Letters.
Нейтрино — это крошечные частицы, которые почти не взаимодействуют с материей. Миллиарды из них каждую секунду проходят сквозь наши тела, и мы этого даже не замечаем. Они бывают трех разновидностей, или как говорят физики — «ароматов»: электронные, мюонные и тау. При экстремальных условиях внутри нейтронной звезды нейтрино способны менять тип, словно маскируясь под другой.
До недавнего времени такие превращения оставались лишь теоретической возможностью. В моделях их просто игнорировали, поскольку процесс идет слишком быстро, в масштабе наносекунд, а сама физика этих переходов долго была плохо проработана. Теперь впервые удалось встроить их в компьютерную модель слияния.
Ученые смоделировали несколько вариантов, меняя плотность окружающего вещества и скорость преобразования нейтрино. Оказалось, что такие тонкие изменения заметно влияют на состав выброшенного материала и на то, что остается от столкновения. Другими словами, от того, какой «вкус» выбирают нейтрино в процессе, зависит, какие элементы в итоге рождаются.
«Электронные нейтрино могут превращать нейтрон в протон и электрон. А вот мюонные этого делать не умеют», — объясняет профессор Дэвид Радис из Пенсильванского университета.
«Если нейтрино меняют аромат, то меняется и баланс частиц в системе. Это напрямую влияет на то, сколько тяжелых элементов получится после слияния».
Разница оказалась впечатляющей. В некоторых сценариях образование золота, платины и редкоземельных элементов возрастало в десять раз по сравнению с моделями, где переключения нейтрино не учитывались. Это открытие помогает объяснить, откуда во Вселенной столько тяжёлых металлов, происхождение которых оставалось загадкой десятилетиями.
Есть и еще один важный момент. Мы наблюдаем такие катастрофы по гравитационным волнам и электромагнитным вспышкам — рентгеновским и гамма-всплескам. Теперь выяснилось, что нейтрино могут менять не только состав выбросов, но и характер этих сигналов. Значит, астрономам придется учитывать новые данные при расшифровке сигналов, которые фиксируют детекторы LIGO, Virgo и японская установка KAGRA.
Молодой физик И Цю, первый автор статьи, подчеркивает, что многое остается непонятным.
«Мы только начинаем разбираться в физике этих процессов. Но ясно одно: без учета превращений нейтрино картина слияния звезд будет неполной».
Ученые сравнивают происходящее с маятником. В первые мгновения после столкновения система ведет себя хаотично, все меняется молниеносно. Со временем колебания затухают и процесс приходит к равновесию, но где и как именно это происходит — вопрос открытый.