Zderzenia gwiazd neutronowych to jedne z najbardziej spektakularnych i energetycznych zjawisk we Wszechświecie. Najnowsze symulacje komputerowe pokazują, że kluczową rolę w tych kosmicznych fajerwerkach mogą odgrywać nieuchwytne cząstki – neutrina – a konkretnie ich zdolność do zmiany tzw. „zapachu”.
Gwiazdy neutronowe i ich kosmiczne kolizje
Gwiazda neutronowa to ekstremalnie gęsta pozostałość po masywnej gwieździe, która zakończyła życie w eksplozji supernowej. Łyżeczka materii z gwiazdy neutronowej ważyłaby na Ziemi miliardy ton.
Kiedy dwie takie gwiazdy krążą wokół siebie, stopniowo zbliżają się, tracąc energię w postaci fal grawitacyjnych, aż w końcu zderzają się i łączą. W wyniku takiej fuzji gwiazd neutronowych powstaje jeszcze masywniejsza gwiazda neutronowa lub czarna dziura, a w przestrzeń kosmiczną wyrzucane są ogromne ilości materii.
Neutrina – duchy fizyki cząstek
Neutrina to cząstki elementarne, które niemal nie wchodzą w interakcje z materią – miliardy z nich przelatują przez nasze ciała w każdej sekundzie, nie pozostawiając śladu. Występują w trzech odmianach, zwanych zapachami: elektronowym, mionowym i taonowym (nazwy pochodzą od innych cząstek elementarnych, z którymi się wiążą).
Co więcej, neutrina potrafią zmieniać swój zapach podczas podróży – zjawisko to nazywamy oscylacjami neutrin. W ekstremalnych warunkach, takich jak wnętrze gwiazdy neutronowej, to mieszanie zapachów może zachodzić bardzo szybko i wpływać na przebieg procesów jądrowych.
Wizja artystyczna połączenia się gwiazd neutronowych, wytworzenia fal grawitacyjnych i powstania kilonowej. Źródło: Wikipedia.
Symulacje, które sięgają poza standardowy model
Do tej pory symulacje łączenia się gwiazd neutronowych nie uwzględniały transformacji zapachów neutrin. Powód? Procesy te zachodzą w skali nanosekundowej i są niezwykle trudne do uchwycenia w obliczeniach. Dodatkowo opis ich zachowania wymaga wyjścia poza tzw. standardowy model fizyki cząstek, czyli dobrze potwierdzoną teorię opisującą znane cząstki elementarne i ich oddziaływania.
Nowe badania po raz pierwszy w pełni zasymulowały, jak mieszanie zapachów neutrin wpływa na:
- skład i strukturę pozostałości po fuzji,
- ilość i rodzaj materii wyrzuconej w przestrzeń,
- a także na powstające emisje – fale grawitacyjne i promieniowanie elektromagnetyczne.
Neutrina elektronowe mają zdolność przekształcania neutronów w protony (proces zwany reakcją beta). Neutrina mionowe takiej zdolności nie mają. Gdy więc neutrina zmieniają swój zapach, zmienia się również liczba dostępnych neutronów w układzie – a to z kolei wpływa na to, jakie pierwiastki powstają w wyniku fuzji. W wykonanych symulacjach okazało się, że uwzględnienie mieszania neutrin może zwiększyć produkcję ciężkich pierwiastków – takich jak złoto, platyna i pierwiastki ziem rzadkich – nawet dziesięciokrotnie.
Dlaczego to jest ważne
Fuzje gwiazd neutronowych to nie tylko kuźnie pierwiastków, ale też potężne źródła sygnałów, które możemy rejestrować na Ziemi. Oprócz fal grawitacyjnych (zmarszczek czasoprzestrzeni, przewidzianych przez Einsteina), emitują również błyski promieniowania gamma i rentgenowskiego. Nowe symulacje pokazują, że mieszanie neutrin może zmieniać te emisje – co ma znaczenie dla interpretacji danych z detektorów takich jak LIGO, Virgo i KAGRA, a w przyszłości także z planowanego Cosmic Explorer. Dzięki temu astronomowie będą mogli precyzyjniej odczytywać informacje o naturze gwiazd neutronowych i procesach, które w nich zachodzą.
Więcej informacji: publikacja Yi Qiu i in., Neutrino Flavor Transformation in Neutron Star Mergers, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/h2q7-kn3v.
Opracowanie: Joanna Molenda-Żakowicz
Na ilustracji: Ilustracja przedstawia gęstość neutrin jako zróżnicowaną teksturę. Kolory reprezentują gęstości energii neutrin o różnych zapachach. Źródło: David Radice research group / Penn State
