Nie ma odwrotu od tragicznego końca masywnej gwiazdy. Wybucha ona w potężnej eksplozji zwanej wybuchem gwiazdy supernowej. Ale jak napisano w Physical Review Letters z 20 czerwca, nawet najbardziej pełne wykonane dotąd symulacje komputerowe nie kończą się wybuchem. Głównym problemem jest nasza ignorancja na temat fizyki neutrin. Uczeni byli zaskoczeniu nie uzyskując w wyniku symulacji eksplozji nawet po wzięciu pod uwagę dokładniejszych przewidywań dotyczących tych cząstek. Tylko lepsze rozumienie zachowania neutrin w ekstremalnym środowisku umierającej gwiazdy może doprowadzić do wybuchu wirtualnej supernowej.

Astrofizycy wciąż nie wiedzą dokładnie dlaczego supernowego wybuchają, chociaż mają na ten temat pewne pojęcie. Najpierw pod wpływem własnego ciężaru zapada się żelazne jądro, powodując powstanie fali uderzeniowej, która porusza się poprzez pozostałą cześć gwiazdy. Jednak zgodnie z modelami komputerowymi, fala ta zanika. Współczesne teorie sugerują, że powstałe w czasie zapadania się neutrina dostarczają dodatkowej siły potrzebnej do doprowadzenia do wybuchu. Pomysł polega na tym, że swobodne protony i neutrony znajdujące się w pobliżu czoła fali uderzeniowej absorbują neutrina i nagrzewają się, wytwarzając za czołem fali ciśnienie wystarczające do powstrzymania jej zanikania. Zamiast tego przyspiesza ona, poruszając się przez gwiazdę z prędkością większą od prędkości dźwięku. Siła fali pokonuje grawitacyjne oddziaływanie jądra i zewnętrzne warstwy gwiazdy zostają odrzucone, tworząc powłokę świecącego gazu.

Wcześniejsze dwu- i trójwymiarowe symulacje zakładały, że neutrina znajdują się w termicznej równowadze, gdyż przyjęcie takiego założenia zmniejszało potrzebną moc obliczeniową komputerów. Ostatnio Hans-Thomas Janka z Instytutu Maxa Plancka w Garching w Niemczech wraz ze swoim zespołem użył w swoich symulacjach najbardziej kompletnego teoretycznego opisu neutrin w gwiazdach, zwanego zależnym od czasu równaniem Boltzmanna. Dwoma uwzględnionymi wymiarami są odległość od środka gwiazdy oraz gwiezdny odpowiednik szerokości geograficznej. Założono niezależność zjawisk od długości geograficznej.

Symulacje, najintensywniejsze jak dotąd przeprowadzono, wykonane zostały na znajdującym się w Niemczech superkomputerze. Uwzględniona została konwekcja i inne rodzaje przepływów. Posiadając tak dokładny opis neutrin, badacze spodziewali się zobaczyć w wyniku wybuch. Zamiast tego jednak fala uderzeniowa zanikła pozostawiając jedynie czarną dziurę.

Brak wybuchu wskazuje, że fizycy przeoczyli coś bardzo istotnego, co dotyczy neutrin i fizyki jądrowej” – powiedział Janka. Uważa on, że problem może polegać na tym, że w przeprowadzonych na Ziemi eksperymentach neutrina oddziałują w próżni z kilkoma protonami, neutronami lub niewielkimi jądrami, podczas gdy wielka i zapadająca się gwiazda zawiera tak supergęstą materię, że cząstki jądrowe mogą tworzyć tam egzotyczne struktury. Te warunki prowadzić mogą do niespodziewanego zachowania się neutrin. Innym brakującym elementem mogą być efekty magnetyczne. Aby wpłynąć na ruch neutrina potrzebne są bardzo silne pola magnetyczne, ale właśnie takie mogą istnieć w supernowych.

Uczeni próbują obecnie obserwować neutrina w środowisku gęstej materii takiej, jak w gwiazdach supernowych. W międzyczasie Janka i jego współpracownicy z Instytutu pracują nad trójwymiarową symulacją supernowej, licząc że będzie ona bardziej kompletna.

Zagadka ma już ponad 50 lat, ale ława przysięgłych wciąż jeszcze nie wydała werdyktu” – powiedział Stan Woosely z University of California. “Przyroda wciąż jeszcze ma w sobie coś, czego nie rozumiemy“.

Autor

Michał Matraszek