Столкновение и слияние двух нейтронных звёзд — невероятно плотных остатков коллапсировавших звёзд — являются одними из самых энергоёмких событий во Вселенной, порождая разнообразные сигналы, которые можно наблюдать на Земле.
Новые моделирования слияний нейтронных звёзд, проведённые группой учёных из Пенсильванского государственного университета и Университета Теннесси в Ноксвилле, показывают, что перемешивание и изменение крошечных частиц, называемых нейтрино, которые могут беспрепятственно преодолевать астрономические расстояния, влияет на ход слияния, а также на результирующие выбросы.
Выводы имеют значение для давних вопросов
Выводы исследователей имеют значение для давних вопросов о происхождении металлов и редкоземельных элементов, а также для понимания физики в экстремальных условиях.
В статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, впервые смоделировано преобразование «вкусов» (типов) нейтрино при слиянии нейтронных звёзд. Нейтрино — это фундаментальные частицы, которые слабо взаимодействуют с другим веществом и бывают трёх типов, названных по другим частицам, с которыми они ассоциируются: электронные, мюонные и тау-нейтрино. В определённых условиях, включая внутренность нейтронной звезды, нейтрино теоретически могут менять свои «вкусы», что может изменить типы частиц, с которыми они взаимодействуют.
Предыдущие моделирования не учитывали преобразование вкуса нейтрино
«Предыдущие моделирования слияний двойных нейтронных звёзд не учитывали преобразование вкуса нейтрино», — сказал И Цю, аспирант физического факультета Пенсильванского государственного университета и первый автор статьи. «Отчасти это связано с тем, что этот процесс происходит в наносекундном масштабе времени и его очень трудно уловить, а отчасти потому, что до недавнего времени мы недостаточно знали о теоретической физике, лежащей в основе этих преобразований, которая выходит за рамки стандартной модели физики».
В новых моделированиях учёные обнаружили, что степень и место перемешивания и преобразования нейтрино влияют на материю, выбрасываемую при слиянии, структуру и состав того, что остаётся после слияния — остатка, а также на материал вокруг него.
Влияние на состав и структуру остатка слияния
Исследователи построили компьютерную модель слияния нейтронных звёзд с нуля, включив в неё различные физические процессы, включая гравитацию, общую теорию относительности, гидродинамику и перемешивание нейтрино. Они также учли преобразование нейтрино электронного вкуса в мюонный, которое, по словам исследователей, является наиболее значимым преобразованием нейтрино в этой среде. Они смоделировали несколько сценариев, варьируя время и место перемешивания, а также плотность окружающего материала.
Исследователи обнаружили, что все эти факторы влияют на состав и структуру остатка слияния, включая тип и количество элементов, созданных во время слияния. Во время столкновения нейтроны в нейтронной звезде могут сталкиваться с другими атомами в обломках, которые могут захватывать нейтроны и в конечном итоге распадаться на более тяжёлые элементы, такие как тяжёлые металлы, например, золото и платина, а также редкоземельные элементы, которые используются на Земле в смартфонах, батареях электромобилей и других устройствах.
«Вкус» нейтрино меняет то, как оно взаимодействует с другим веществом, — сказал Дэвид Радиче, профессор физики в Пенсильванском государственном университете и соавтор статьи. «Нейтрино электронного типа могут забрать нейтрон, одну из трёх основных частей атома, и превратить его в две другие — протон и электрон. Но нейтрино мюонного типа не могут этого сделать».
«Таким образом, преобразование вкусов нейтрино может изменить количество доступных в системе нейтронов, что напрямую влияет на создание тяжёлых металлов и редкоземельных элементов. Всё ещё остаётся много нерешённых вопросов о космическом происхождении этих важных элементов, и мы обнаружили, что учёт перемешивания нейтрино может увеличить производство элементов в десять раз».
Влияние на электромагнитные выбросы
Перемешивание нейтрино во время слияния также повлияло на количество и состав материи, выбрасываемой при слиянии, что, по словам исследователей, может изменить выбросы, обнаруживаемые с Земли. Эти выбросы обычно включают гравитационные волны — рябь в пространстве-времени, а также электромагнитное излучение, такое как рентгеновские или гамма-лучи.
«В наших моделированиях перемешивание нейтрино повлияло на электромагнитные выбросы от слияний нейтронных звёзд и, возможно, на гравитационные волны», — сказал Радиче.
«С передовыми детекторами, такими как LIGO, Virgo и KAGRA, и их аналогами нового поколения, такими как предлагаемая обсерватория Cosmic Explorer, которая может начать работу в 2030-х годах, астрономы готовы обнаруживать гравитационные волны чаще, чем раньше. Лучшее понимание того, как эти выбросы создаются в результате слияний нейтронных звёзд, поможет нам интерпретировать будущие наблюдения».
Исследователи сказали, что моделирование процессов перемешивания похоже на маятник, который переворачивают вверх дном. Изначально многие изменения происходят в невероятно быстром масштабе времени, но в конце концов маятник приходит в стабильное равновесие. Но многое из этого, по их словам, является предположением.
«Мы всё ещё многого не знаем о теоретической физике этих преобразований нейтрино, — сказал Цю. — По мере того как теоретическая физика элементарных частиц будет развиваться, мы сможем значительно улучшить наши моделирования. Что остаётся неопределённым, так это то, где и как эти преобразования происходят при слиянии нейтронных звёзд. Наше текущее понимание предполагает, что они очень вероятны, и наши моделирования показывают, что, если они имеют место, они могут иметь серьёзные последствия, что делает важным их включение в будущие модели и анализы».
Теперь, когда инфраструктура для этих сложных моделирований создана, исследователи сказали, что другие группы будут использовать эту технологию для дальнейшего изучения воздействия перемешивания нейтрино.
«Слияния нейтронных звёзд функционируют как космические лаборатории, предоставляя важные сведения об экстремальной физике, которую мы не можем безопасно воспроизвести на Земле», — сказал Радиче.
В дополнение к Цю и Радиче в исследовательскую группу входят Майтрая Bhattacharyya, научный сотрудник Института гравитации и космоса Пенсильванского государственного университета, и Шервуд Ричерс из Университета Теннесси в Ноксвилле.
Предоставлено Пенсильванским государственным университетом.