Новое моделирование выявило горячие нейтрино, захваченные во время столкновений нейтронных звезд

Объемная визуализация плотности при моделировании слияния двойной нейтронной звезды. Новое исследование показывает, что нейтрино, созданные на горячей границе раздела сливающихся звезд, могут быть ненадолго захвачены и оставаться вне равновесия с холодными ядрами сливающихся звезд в течение 2–3 миллисекунд. Автор: David Radice, Penn State

Когда звезды коллапсируют, они могут оставить после себя невероятно плотные, но относительно небольшие и холодные остатки, называемые нейтронными звездами. Если две звезды коллапсируют в непосредственной близости, оставшиеся двойные нейтронные звезды приближаются по спирали и в конечном итоге сталкиваются, а граница, где две звезды начинают сливаться, становится невероятно горячей.

Новое моделирование этих событий показывает, что горячие нейтрино — крошечные, по существу безмассовые частицы, которые редко взаимодействуют с другим веществом — которые рождаются во время столкновения, могут на короткое время задерживаться на этих границах раздела и оставаться вне равновесия с холодными ядрами сливающихся звезд в течение 2–2–20 лет. 3 миллисекунды. За это время моделирование показало, что нейтрино могут слабо взаимодействовать с веществом звезд, помогая вернуть частицы обратно к равновесию и давая новое понимание физики этих мощных событий.

Статья с описанием моделирования, подготовленная исследовательской группой под руководством физиков Пенсильванского университета, появилась в журнале Physical Reviews Letters.

«Впервые в 2017 году мы наблюдали здесь, на Земле, сигналы различных видов, включая гравитационные волны, возникающие в результате слияния двойной нейтронной звезды», — сказал Педро Луис Эспино, постдокторант из Пенсильванского университета и Калифорнийского университета в Беркли, который руководил исследованием.

«Это привело к огромному всплеску интереса к астрофизике двойных нейтронных звезд. Невозможно воспроизвести эти события в лаборатории и изучить их экспериментально, поэтому лучший способ понять, что происходит во время слияния двойных нейтронных звезд, — это моделирование. основанный на математике, вытекающей из общей теории относительности Эйнштейна».

Нейтронные звезды получили свое название потому, что считается, что они почти полностью состоят из нейтронов — незаряженных частиц, которые вместе с положительно заряженными протонами и отрицательно заряженными электронами составляют атомы. Считается, что их невероятная плотность (только черные дыры меньше и плотнее) сжимает протоны и электроны вместе, превращая их в нейтроны.

«Нейтронные звезды до слияния фактически холодные, хотя их температура может составлять миллиарды градусов Кельвина, их невероятная плотность означает, что это тепло очень мало способствует энергии системы», — сказал Дэвид Радис, доцент кафедры физики, астрономии и астрофизики. в Научном колледже Эберли в Пенсильванском университете и является руководителем исследовательской группы.

«При столкновении они могут стать очень горячими, поверхность сталкивающихся звезд может нагреваться до температур в триллионы градусов Кельвина. Однако они настолько плотны, что фотоны не могут вырваться наружу, чтобы рассеять тепло; вместо этого мы думаем, что они остывать, испуская нейтрино».

По мнению исследователей, нейтрино создаются во время столкновения, когда нейтроны в звездах сталкиваются друг с другом и распадаются на протоны, электроны и нейтрино. Что происходит в первые мгновения после столкновения, остается открытым вопросом в астрофизике.

Чтобы попытаться ответить на этот вопрос, исследовательская группа создала модели, требующие огромных вычислительных мощностей, которые моделируют слияние двойных нейтронных звезд и всю связанную с этим физику. Моделирование впервые показало, что даже нейтрино могут быть захвачены теплом и плотностью слияния. Горячие нейтрино находятся вне равновесия с еще холодными ядрами звезд и могут взаимодействовать с веществом звезд.

«Эти экстремальные явления расширяют границы нашего понимания физики, и их изучение позволяет нам узнать новые вещи», — сказал Радиче.

«Период, в течение которого сливающиеся звезды выходят из равновесия, составляет всего 2–3 миллисекунды, но, как и температура, время здесь относительно, период обращения двух звезд перед слиянием может составлять всего 1 миллисекунду. Фаза равновесия – это когда происходит самое интересное в физике. Как только система возвращается в равновесие, физика становится лучше понятна».

Исследователи объяснили, что точные физические взаимодействия, происходящие во время слияния, могут повлиять на типы сигналов, которые можно наблюдать на Земле в результате слияния двойных звезд.

«То, как нейтрино взаимодействуют с веществом звезд и в конечном итоге испускаются, может повлиять на колебания слившихся остатков двух звезд, что, в свою очередь, может повлиять на то, как будут выглядеть электромагнитные и гравитационные волновые сигналы слияния, когда они достигнут нас здесь. на Земле», — сказал Эспино.

«Детекторы гравитационных волн следующего поколения могут быть разработаны для поиска такого рода различий в сигналах. Таким образом, эти симуляции играют решающую роль, позволяя нам получить представление об этих экстремальных событиях, одновременно информируя будущие эксперименты и наблюдения в своего рода обратной связи. петля."

Помимо Эспино и Радиче, в исследовательскую группу входят постдокторанты Питер Хаммонд и Росселла Гамба из Пенсильванского университета; Себастьяно Бернуцци, Франческо Заппа и Луис Фелипе Лонго Микки из Йенского университета имени Фридриха Шиллера в Германии; и Альбинос Перего в Университете Тренто в Италии.

Больше информации: Pedro Luis Espino et al, Neutrino Trapping and Out-of-Equilibrium Effects in Binary Neutron-Star Merger Remnants, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.211001. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2311.00031

Источник: Pennsylvania State University