Массивные звезды заканчивают свою жизнь гигантскими взрывами, так называемыми сверхновыми. За миллионы лет стабильной эволюции эти звезды образовали центральное ядро, состоящее в основном из железа. Когда ядро ??достигает примерно 1,5 массы Солнца, оно коллапсирует под действием собственной гравитации и образует нейтронную звезду. Во время этого катастрофического события выделяется огромное количество энергии, в основном за счет испускания нейтрино.
Эти почти безмассовые элементарные частицы в большом количестве образуются внутри новорожденной нейтронной звезды, где плотность выше, чем в атомных ядрах, а температура может достигать 500 миллиардов градусов Кельвина.Физические процессы, которые вызывают и вызывают взрыв, оставались нерешенной загадкой более 50 лет. Один из предложенных теоретических механизмов задействует нейтрино, потому что они уносят в сто раз больше энергии, чем требуется для типичной сверхновой звезды. Вытекая из горячих недр нейтронной звезды, небольшая часть нейтрино поглощается окружающим газом.
Это нагревание вызывает резкие движения газа, подобные тем, что в кастрюле с кипящей водой на плите. Когда пузырьки газа становятся достаточно мощными, происходит взрыв сверхновой, как если бы крышка горшка была сорвана.
Внешние слои умирающей звезды выбрасываются в околозвездное пространство, а вместе с ними и все химические элементы, которые звезда собрала в результате ядерного горения за время своей жизни. Но также новые элементы создаются в горячих выбросах взрыва, среди них радиоактивные частицы, такие как 44Ti (титан с 22 протонами и 22 нейтронами в его атомных ядрах) и 56Ni (28/28 нейтронов / протонов), которые распадаются до стабильного кальция. и железо соответственно.
Высвобожденная таким образом радиоактивная энергия заставляет сверхновую светить ярче в течение многих лет.Из-за бурного кипения нагретого нейтрино газа взрывная волна начинается несферически и накладывает крупномасштабную асимметрию на выброшенное звездное вещество и сверхновую в целом, что согласуется с наблюдением комковатости и асимметрии во многих сверхновых и сверхновых. их газообразные остатки. Первоначальная асимметрия взрыва имеет два непосредственных последствия. С одной стороны, нейтронная звезда получает импульс отдачи, противоположный направлению более сильного взрыва, когда сверхновый газ выбрасывается с большей силой.
Этот эффект похож на толчок, который получает гребная лодка, когда пассажир спрыгивает. С другой стороны, производство тяжелых элементов от кремния до железа, в частности 44Ti и 56Ni, более эффективно в тех направлениях, где взрыв сильнее и где больше вещества нагревается до высоких температур. «Мы предсказали оба эффекта несколько лет назад с помощью нашего трехмерного (3D) моделирования взрывов сверхновых, вызванных нейтрино», — говорит Анноп Вонгватанарат, исследователь из лаборатории астрофизического большого взрыва RIKEN и ведущий автор соответствующей публикации 2013 года, в которой В свое время он работал в MPA в сотрудничестве со своими соавторами Х.-Томасом Янкой и Эвальдом Мюллером. «Асимметрия радиоактивного выброса тем сильнее, чем больше выброс нейтронной звезды», — добавляет он. Поскольку радиоактивные атомные ядра синтезируются в самых внутренних областях сверхновой, в непосредственной близости от нейтронной звезды, их пространственное распределение наиболее прямо отражает асимметрию взрыва.Новые наблюдения Кассиопеи A (Cas A), газообразного остатка сверхновой, свет которой достиг Земли около 1680 года, тем временем могут подтвердить это теоретическое предсказание.
Из-за своего юного возраста и относительной близости на расстоянии всего 11 000 световых лет Cas A предлагает два больших преимущества для измерений. Во-первых, радиоактивный распад 44Ti по-прежнему является эффективным источником энергии, и поэтому присутствие этого атомного ядра может быть отображено в 3D с высокой точностью во всем остатке путем регистрации высокоэнергетического рентгеновского излучения от радиоактивных распадов. Во-вторых, также известна скорость нейтронной звезды, ее величина и направление в плоскости неба.
Поскольку нейтронная звезда распространяется со скоростью не менее 350 километров в секунду, ожидается, что асимметрия в пространственном распределении радиоактивных элементов будет очень заметной. Именно это и видно по наблюдениям.
В то время как компактный остаток движется к нижней полусфере, самые большие и яркие сгустки с большей частью 44Ti находятся в верхней половине газового остатка. Компьютерное моделирование, рассматриваемое с подходящим образом выбранным направлением, демонстрирует поразительное сходство с наблюдаемым изображением. Но не только пространственное распределение титана и железа напоминает таковое в Cas A. Также общее количество этих элементов, их скорости расширения и скорость нейтронной звезды удивительно согласуются с таковыми Cas A. "Эта способность воспроизводить Основные свойства наблюдений убедительно подтверждают, что Cas A может быть остатком сверхновой, управляемой нейтрино, с ее резкими движениями газа вокруг зарождающейся нейтронной звезды », — заключает Х.-Томас Янка.Но необходимы дополнительные исследования, чтобы окончательно доказать, что взрывы массивных звезд происходят за счет энергии нейтрино. «Cas A представляет собой настолько интересный и важный объект, что мы также должны понимать пространственное распределение других химических веществ, таких как кремний, аргон и неон», — отмечает Эвальд Мюллер, указывая на красивую многокомпонентную морфологию обнаруженного Cas A. с помощью 3D-изображений.
Для полностью убедительной аргументации недостаточно одного примера. Поэтому команда присоединилась к большему сотрудничеству, чтобы проверить теоретические предсказания взрывов, вызванных нейтрино, путем тщательного анализа большой выборки молодых остатков сверхновых.
Таким образом, шаг за шагом исследователи надеются собрать доказательства, которые смогут решить давнюю проблему механизма сверхновой.