Переход нейтрино из одного типа в другой может заметно влиять на судьбу умирающей массивной звезды и в некоторых случаях определять, произойдёт ли яркий взрыв сверхновой или звезда без него сколлапсирует в чёрную дыру. К такому выводу пришли астрофизики после моделирования гибели 195 звёзд массой от девяти до 120 масс Солнца.
Главную роль играет способность нейтрино менять так называемый аромат, то есть переходить между электронным, мюонным и тау-типами. Авторы исследования показали, что такие превращения меняют перенос энергии внутри коллапсирующей звезды, а вместе с ним и условия, при которых ударная волна может запустить взрыв.
Когда у массивной звезды заканчивается ядерное топливо, железное ядро теряет устойчивость и сжимается под действием собственной гравитации. Внешние слои падают внутрь, сталкиваются с чрезвычайно плотным ядром и создают ударную волну. Однако волна быстро теряет энергию и останавливается. Чтобы звезда всё же взорвалась, поток нейтрино должен передать достаточно энергии веществу за ударным фронтом и снова привести волну в движение.
Нейтрино почти не взаимодействуют с обычным веществом, но во время коллапса их рождается огромное количество. По расчётам, частицы уносят около 99% гравитационной энергии, высвобождаемой при формировании протонейтронной звезды. Особенно важны электронные нейтрино и антинейтрино, поскольку именно через них часть энергии возвращается окружающему веществу.
До сих пор многие подробные модели сверхновых не учитывали превращение нейтрино одного типа в другой непосредственно возле протонейтронной звезды. Полноценный расчёт такого процесса требует огромных вычислительных ресурсов, поэтому авторы применили упрощённую схему и сравнили пять вариантов для каждой звезды: один без превращений нейтрино и четыре сценария, где процесс начинался в областях с разной плотностью вещества.
Разница оказалась особенно заметной для звёзд массой от 16 до 30 масс Солнца. В ряде моделей звезда, которая без учёта превращений нейтрино успешно взрывалась, после добавления такого процесса уже не смогла возродить ударную волну и переходила к коллапсу с образованием чёрной дыры.
В базовом варианте без превращений нейтрино взрыв не происходил у 25,6% смоделированных звёзд. В зависимости от того, насколько глубоко внутри протонейтронной звезды запускалось изменение типа частиц, доля неудачных взрывов возрастала от 50,8% до 96,4%. С поправкой на то, что менее массивные звёзды встречаются чаще, диапазон составил от 47,6% до 88,3% против 27% в исходной модели.
Авторы отдельно предупреждают, что воспринимать такие числа как реальную долю звёзд, превращающихся в чёрные дыры, нельзя. Исследователи использовали сферически-симметричную модель и задавали превращение нейтрино упрощённым способом. Сам процесс в настоящей сверхновой развивается во времени и пространстве намного сложнее, а трёхмерные потоки вещества, конвекция и нестабильности ударной волны способны изменить исход коллапса. Некоторые варианты с очень высокой долей неудачных взрывов уже расходятся с астрономическими наблюдениями.
Расчёты при этом показывают понятный физический механизм. Когда превращения перераспределяют энергию от электронных нейтрино к другим типам, вещество за остановившейся ударной волной получает меньше энергии. Волне становится труднее снова ускориться, поэтому вероятность коллапса увеличивается. Если же превращение происходит ближе к самой ударной волне, при определённых условиях эффект может оказаться противоположным и помочь взрыву начаться раньше.
Изменения затрагивают и остаток после успешного взрыва. В моделях с превращениями нейтрино ударная волна иногда запускалась раньше, вещество меньше времени падало на протонейтронную звезду, а будущая нейтронная звезда получалась легче. Расчётные массы в таких случаях лучше совпадали с наблюдаемым диапазоном, где многие нейтронные звёзды имеют массу примерно 1,2–1,4 массы Солнца.
Новый механизм может также помочь объяснить две старые загадки астрофизики. Астрономы находят меньше сверхновых с коллапсом ядра, чем можно ожидать по скорости рождения массивных звёзд, а среди обнаруженных предшественников сверхновых второго типа не хватает красных сверхгигантов примерно от 16 до 30 масс Солнца. Если часть таких звёзд действительно коллапсирует почти без яркой вспышки, наблюдатели просто не включают их в обычную статистику сверхновых.
О существовании подобных «неудачных сверхновых» говорят и наблюдения. Современные оценки допускают, что заметного взрыва могут не давать от нескольких процентов до значительной доли коллапсов массивных звёзд. Дополнительные сведения астрофизики пытаются получить по общему фону нейтрино от давно произошедших сверхновых: первые признаки такого космического сигнала уже ищут крупнейшие нейтринные детекторы.
Следующим шагом должны стать многомерные модели, где превращения нейтрино рассчитываются вместе с движением вещества и меняются по мере развития коллапса. Только такие вычисления позволят понять, насколько сильно квантовые свойства почти неуловимых частиц действительно меняют соотношение между сверхновыми, нейтронными звёздами и чёрными дырами.