Нейтрино могут быть ключевой силой в образовании золота и платины во Вселенной

Новые симуляции слияния нейтронных звезд показывают, что смешивание и преобразование крошечных частиц нейтрино влияет на процесс слияния, включая состав и структуру остатка, а также на возникающие излучения. На изображении показана плотность нейтрино внутри остатка в виде различных текстур, а цвета представляют энергетические плотности разных «ароматов» нейтрино. Автор: David Radice research group / Penn State

Столкновение и слияние двух нейтронных звезд — невероятно плотных остатков коллапсировавших звезд — являются одними из самых энергетических событий во Вселенной, порождая разнообразные сигналы, которые можно наблюдать на Земле. Новые симуляции слияния нейтронных звезд, проведенные командой из Университета Пенсильвании и Университета Теннесси в Ноксвилле, показывают, что смешивание и изменение крошечных частиц, называемых нейтрино, которые могут беспрепятственно преодолевать астрономические расстояния, влияет на то, как разворачивается слияние, а также на возникающие излучения. Результаты имеют значение для давних вопросов о происхождении металлов и редкоземельных элементов, а также для понимания физики в экстремальных условиях, заявили исследователи.

Статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, является первой, в которой смоделировано преобразование «ароматов» нейтрино при слиянии нейтронных звезд. Нейтрино — это фундаментальные частицы, слабо взаимодействующие с другой материей, и они бывают трех «ароматов», названных в честь других частиц, с которыми они ассоциируются: электронное, мюонное и тау-нейтрино. В определенных условиях, включая недра нейтронной звезды, нейтрино теоретически могут менять аромат, что может изменять типы частиц, с которыми они взаимодействуют.

«Предыдущие симуляции слияния двойных нейтронных звезд не включали преобразование ароматов нейтрино», — сказал И Цю, аспирант по физике в Колледже Эберли Пенсильванского университета и первый автор статьи. «Отчасти это связано с тем, что этот процесс происходит в наносекундном масштабе и его очень сложно 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 наших новых симуляциях мы обнаружили, что степень и место смешивания и преобразования нейтрино влияют на материю, выбрасываемую при слиянии, структуру и состав того, что остается после слияния — остатка, — а также на материал вокруг него».

Исследователи построили компьютерную симуляцию слияния нейтронных звезд с нуля, включив в нее различные физические процессы, включая гравитацию, общую теорию относительности, гидродинамику и смешивание нейтрино. Они также учли преобразование электронных нейтрино в мюонные, которое, по словам исследователей, является наиболее релевантным преобразованием нейтрино в этой среде. Они смоделировали несколько сценариев, варьируя время и место смешивания, 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 быть выброшены на другие атомы в обломках, которые могут захватывать нейтроны и в конечном итоге распадаться на более тяжелые элементы, такие как тяжелые металлы вроде золота и платины, а также редкоземельные элементы, используемые на Земле в смартфонах, аккумуляторах электромобилей и других устройствах.

«Аромат нейтрино меняет то, как оно взаимодействует с другой материей», — сказал Дэвид Радис, профессор физики и доцент астрономии и астрофизики в Колледже Эберли Пенсильванского университета и соавтор статьи. «Электронные нейтрино могут взять нейтрон, одну из трех основных частей атома, и преобразовать его в две другие — протон и электрон. Но мюонные нейтрино не могут этого сделать. Таким образом, преобразование ароматов нейтрино может изменить количество нейтронов в системе, что напрямую влияет на создание тяжелых металлов и редкоземельных элементов. Все еще остается много lingering вопросов о космическом происхождении этих важных элементов, и мы обнаружили, что учет смешивания нейтрино может увеличить производство элементов до 10 раз».

Смешивание нейтрино во время слияния также повлияло на количество и состав материи, выбрасываемой из слияния, что, по словам исследователей, может изменить излучения, detectable с Земли. Эти излучения обычно включают гравитационные волны — рябь в пространстве-времени — а также электромагнитное излучение, такое как рентгеновские или гамма-лучи.

Теперь, когда инфраструктура для этих сложных симуляций создана, исследователи заявили, что ожидают, что другие группы будут использовать эту технологию для дальнейшего изучения воздействия смешивания нейтрино.

«Слияния нейтронных звезд функционируют как космические лаборатории, предоставляя важные insights в экстремальную физику, которую мы не можем безопасно воспроизвести на Земле», — сказал Радис.