Фізики з Пенсильванського державного університету та Університету Теннессі в Ноксвіллі здійснили прорив у розумінні найпотужніших катастроф у космосі. Результати їхнього дослідження, опубліковані в журналі Physical Review Letters, описують перші у світі комп’ютерні моделювання злиття нейтронних зір, які враховують феномен зміни «смаків» нейтрино. Виявилося, що ці крихітні частинки здатні кардинально змінювати хімічний склад викинутої речовини, характеристики гравітаційних хвиль та обсяги утворення важких елементів — від золота до складників сучасних смартфонів.
Нейтронні зорі — це надщільні залишкові ядра, що утворюються після спалахів наднових під час загибелі масивних світил. За маси, яка перевищує сонячну, вони мають діаметр всього лише у кілька десятків кілометрів. Коли дві такі зорі обертаються одна навколо одної та зрештою зіштовхуються, відбувається одна з найенергійніших подій у космосі.
У момент катаклізму вивільняється колосальна кількість енергії у вигляді гравітаційних хвиль — коливань самого тканини простору-часу — та потужного електромагнітного випромінювання (гамма- та рентгенівських променів). Крім того, саме ці катастрофічні злиття вважаються головними космічними «фабриками», де куються важкі хімічні елементи.
Квантова хімія
Нейтрино — це майже невагомі нейтральні частинки, які вкрай слабо взаємодіють із матерією та вільно долають астрономічні відстані. Вони існують у трьох різновидах («смаках»): електронному, мюонному та тау-нейтрино. За певних екстремальних умов нейтрино здатні змінювати свій «смак», перетворюючись з одного типу на інший.
Оскільки кожен різновид частинки по-різному взаємодіє з оточенням, ці квантові перетворення змінюють співвідношення між нейтронами та протонами в зоряній речовині. Електронні нейтрино здатні поглинатися нейтронами, перетворюючи їх на протони та електрони, тоді як мюонні нейтрино на це не здатні.
Попередні симуляції злиття зірок ігнорували ці процеси, оскільки вони відбуваються на макроскопічно крихітних наносекундних масштабах, а відповідна теоретична фізика виходить за межі Стандартної моделі. Завдяки розробці чисельного релятивістського моделювання вчені змогли поєднати загальну теорію відносності Ейнштейна, гідродинаміку надщільної плазми та квантове змішування нейтрино (передусім перетворення електронних нейтрино на мюонні).
Результати вразили астрофізиків: урахування змін «смаків» нейтрино показало можливість збільшення обсягів утворення важких металів та рідкоземельних елементів під час нуклеосинтезу аж у 10 разів. Коли багата на нейтрони матерія виривається у відкритий космос, внаслідок швидкого захоплення нейтронів формуються золото, платина, а також рідкісні елементи, які зазвичай використовують для виготовлення мікроелектроніки.
Нове вікно у спостереженні за космосом
Змішування нейтрино впливає не лише на формування коштовних металів у космосі, а й на структуру залишку зіткнення та випромінювання, яке фіксують земні прилади. Зміни в розподілі матерії залишають специфічні сліди на спектрах гамма- та рентгенівських спалахів, а також можуть модифікувати сигнал гравітаційних хвиль.
Сьогодні міжнародна мережа обсерваторій гравітаційних хвиль LVK, що включає детектори LIGO, Virgo та KAGRA, у режимі реального часу сповіщає наукову спільноту про космічні зіткнення через систему GCN від NASA. У 2030-х роках до них має приєднатися ще чутливіший проєкт наступного покоління — Cosmic Explorer.
Точніше розуміння мікрофізики нейтрино допоможе астрономам розшифровувати найскладніші сигнали, отримані від цих обсерваторій. Розроблена науковцями платформа моделювання тепер відкрита для всієї світової спільноти, перетворюючи злиття нейтронних зір на унікальні природні лабораторії для дослідження фізики межі можливого.
Раніше ми повідомляли про те, як золото на Землі підіймається з ядра планети мільярди років.
За матеріалами Neowin
