В 1987 году рядом с нашей галактикой Млечный Путь взорвалась гигантская звезда. С момента изобретения телескопа в начале 1600х это была самая яркая и ближайшая к нам сверхновая. Почти каждая обсерватория в мире развернулась в ее сторону, чтобы запечатлеть такой важный момент. Причем специализированные обсерватории, расположенные глубоко под землей, улавливали нейтрино, вылетающие из взрыва.
Хотя нейтрино были экспериментально обнаружены еще в 1950х, и идея об их участии в судьбе сверхновых сформулировали в 1960х, нам все же довольно тяжело их моделировать. Изначально мы думали, что у нейтрино нет массы, но работы, за которые в 2015 году дали Нобелевку, опровергли этот факт. Почему масса была так важна? Помните в школе уроки по импульсу? Вот на картинке снизу, когда один шарик толкает другой, мы можем рассчитать все физические процессы. А теперь представьте, что у шарика масса равна нулю? Смог бы такой шарик передать энергию соседним?
Нобелевские работы 2015 года доказали, что у нейтрино осциллируют, а значит у них есть какая-то масса, но как именно нейтрино передают свою энергию при взрыве звезд, нам все еще было не понятно. Ровно до вот этого моделирования:
Летом 2020 года ученые из университета Принстона опубликовали работу, которая как раз решает проблему передачи энергии от нейтрино. Вообще-то это одна из ярких работ, но не единственная. На сегодня астрофизики наблюдают порядка нескольких тысяч взрывов сверхновых, а физики-теоретики моделируют порядка 30 таких взрывов на суперкомпьютерах.
Но все же про ученых из Принстона. Они сделали моделирование взрыва суперновы, как вы поняли. Взрыв сверхновой всегда был интересен ученым, потому что это такие критические условия, в которых активируются частицы и силы, обычно не видимые. Понимание процессов внутри сверхновой во время взрыва - одна из ключевых задач в современной астрофизике.
На протяжении большей части жизни звезды внутренняя гравитация уравновешивается излучением от ядерных реакций внутри ядра звезды. Когда у звезды заканчивается топливо, вступает в силу гравитация. Ядро разрушается само по себе, падая со скоростью 150 000 километров в час, что приводит к повышению температуры до 100 миллиардов градусов Цельсия и превращению ядра в твердый шар нейтронов.
Внешние слои звезды продолжают падать внутрь, но ударяясь об это несжимаемое нейтронное ядро, они отскакивают от него, создавая ударную волну. Чтобы ударная волна превратилась во взрыв, она должна быть направлена наружу с достаточной энергией, чтобы избежать гравитации звезды. Ударная волна также должна бороться с внутренней спиралью самых внешних слоев звезды, которые все еще падают на ядро.
До недавнего времени силы, приводящие в действие ударную волну, понимались весьма туманно. На протяжении десятилетий компьютеры были достаточно мощными, чтобы запускать упрощенные модели коллапсирующего ядра. Звезды рассматривались как идеальные сферы с ударной волной, исходящей из центра одинаково во всех направлениях. Но когда в этих одномерных моделях ударная волна движется наружу, она замедляется, а затем останавливается.
Только в последние несколько лет, с развитием суперкомпьютеров, у физиков-теоретиков появилось достаточно вычислительной мощности для моделирования массивных звезд со сложностью, необходимой для взрывов. Лучшие модели теперь включают в себя такие детали, как взаимодействие нейтрино и материи на микроуровне, неупорядоченное движение жидкостей и недавние достижения во многих различных областях физики — от ядерной физики до эволюции звезд.
Что вы должны понять из этой статьи?
1. Астрофизикам очень важно разобраться в механизме взрыва суперновых, потому что там происходят уникальные процессы, которые приподнимают завесу над природой нашего мира.
2. Ошибки, которые были в моделировании таких взрывов на суперкомпах, показывали нам, что мы что-то упускаем.
3. Сейчас у нас такие мощные суперкомпьютеры, что мы можем включить в них кучу данных и получить тот самый взрыв.
4. Наблюдая за моделированием таких взрывов, мы видим либо новые эффекты микромира, либо подтверждаем старые идеи.
5. Благодаря моделированию, которое я вам показала выше, и другим сходим работам можно сказать, что нейтрино - двигатели взрыва сверхновых.
Спасибо, что дочитали до конца. Если вам интересен научный контент, то заглядывайте в мой телеграм и инстаграм. А еще можете послушать мой подкаст про науку и жизнь ученых.