В новом исследовании исследователи сделали важный шаг к пониманию того, как взрывающиеся звезды могут помочь раскрыть то, как нейтрино, загадочные субатомные частицы, тайно взаимодействуют друг с другом.

Одна из наименее изученных элементарных частиц, нейтрино редко взаимодействует с обычным веществом, а вместо этого невидимо перемещается сквозь него почти со скоростью света. Эти призрачные частицы превосходят числом все атомы во Вселенной и всегда безвредно проходят через наши тела, но из-за их малой массы и отсутствия электрического заряда их невероятно трудно найти и изучить.

Но в исследовании, опубликованном сегодня в журнале Physical Review Letters , исследователи из Университета штата Огайо установили новую схему, подробно описывающую, как сверхновые — массивные взрывы, предвещающие гибель коллапсирующих звезд, — могут использоваться в качестве мощных инструментов для изучения того, как нейтрино самопроизвольно взаимодействия могут вызвать огромные космологические изменения во Вселенной.

«У нейтрино очень низкая скорость взаимодействия с обычным веществом, поэтому их трудно обнаружить и проверить какие-либо их свойства», — сказал По-Вен Чанг, ведущий автор исследования и аспирант по физике в штате Огайо. «Вот почему мы должны использовать астрофизику и космологию, чтобы обнаружить интересные явления, связанные с ними».

Считается, что нейтрино сыграли важную роль в формировании ранней Вселенной, но до сих пор озадачивают ученых, несмотря на то, что они узнали, что они происходят из ряда источников, таких как ядерные реакторы или внутренности умирающих звезд.

Но вычислив, как самовоздействие повлияет на нейтринный сигнал от Supernova 1987A, ближайшей сверхновой звезды, наблюдаемой в наше время , исследователи обнаружили, что когда нейтрино взаимодействуют друг с другом, они образуют тесно связанную жидкость, которая расширяется под действием релятивистской гидродинамики — раздела физики, который имеет дело с тем, как потоки воздействуют на твердые объекты одним из двух разных способов.

В случае так называемого «всплеска выброса», команда теоретизирует, что так же, как лопание воздушного шара под высоким давлением в космическом вакууме выталкивает энергию наружу, взрыв производит нейтринную жидкость, которая движется во всех направлениях. Второй случай, описанный как «вытекание ветром», представляет собой воздушный шар с высоким давлением и множеством сопел, из которого нейтрино вылетают с более постоянной скоростью потока, подобно струе устойчивого ветра.

Хотя теория ветрового истечения, скорее всего, имеет место в природе, сказал Чанг, если случай взрыва будет реализован, ученые могут увидеть новые наблюдаемые сигнатуры нейтрино, испускаемые сверхновыми, что обеспечивает беспрецедентную чувствительность к самодействию нейтрино.

Одна из причин, почему так важно понять эти механизмы, заключается в том, что если нейтрино действуют как жидкость, это означает, что они действуют вместе, как коллектив. И если свойства нейтрино как коллектива отличаются от свойств по отдельности, то физика сверхновых тоже может претерпевать изменения. Но связаны ли эти изменения исключительно со случаем взрыва или со случаем оттока, еще неизвестно.

«Динамика сверхновых сложна, но этот результат многообещающий, потому что с релятивистской гидродинамикой мы знаем, что есть развилка в понимании того, как они работают сейчас», — сказал Чанг.

Тем не менее, необходимо провести дальнейшие исследования, прежде чем ученые смогут исключить возможность взрыва, происходящего и внутри сверхновых.

Несмотря на эти неопределенности, исследование является важной вехой в ответе на давний астрофизический вопрос о том, как на самом деле рассеиваются нейтрино при выбросе из сверхновых, сказал Джон Биком, соавтор исследования и профессор физики и астрономии в штате Огайо. Это исследование показало, что в случае вспышки беспрецедентная чувствительность к самодействию нейтрино возможна даже при разреженных данных о нейтрино от SN 1987A и консервативных предположениях анализа.

«Эта проблема оставалась практически нетронутой в течение 35 лет, — сказал Биком. «Поэтому, несмотря на то, что мы не смогли полностью решить, как нейтрино влияют на сверхновые, мы рады тому, что смогли сделать существенный шаг вперед».

В будущем команда надеется, что их работа будет использована в качестве трамплина для дальнейшего изучения самодействия нейтрино. Тем не менее, поскольку в Млечном Пути происходит только две или три сверхновые за столетие, вероятно, исследователям придется ждать еще десятилетия, чтобы собрать достаточно новых данных о нейтрино для подтверждения своих идей.

«Мы всегда молимся о том, чтобы где-то и в ближайшее время произошла еще одна галактическая сверхновая, но лучшее, что мы можем сделать, — это попытаться максимально опираться на то, что мы знаем, прежде чем это произойдет», — сказал Чанг.