Supernova eller sort hul? Spøgelsespartiklers ’smag’ kan afgøre døende stjerners skæbne

Når en stjerne nærmer sig slutningen af sit liv, står den over for to vidt forskellige skæbner: Den kan enten eksplodere som supernova og efterlade en neutronstjerne, eller den kan kollapse og blive til et sort hul. Men hvilken en af delene det bliver, er et af astrofysikkens store ubesvarede spørgsmål.

Nu viser et nyt studie fra Københavns Universitet, at neutrinoer - eller mere populært ”spøgelsespartikler” - og deres evne til at skifte smag kan spille en langt større rolle i forhold til den massive stjernes skæbne, end forskere hidtil har antaget.

Dette smagsskift hedder neutrino-flavorkonvertering og det indebærer helt kort at partiklerne skifter fra én type til en anden. Og hvilken type de er – altså hvilken smag de har - betyder noget for hvor hvordan de interagerer med kernen i døende massive stjerner.

"Vi har længe vidst, at neutrinoer kan skifte mellem forskellige typer af smag. Men vi har som regel antaget, at det ikke havde betydning for selve eksplosionens udfald. Vores forskningsresultater tyder på, at denne smag faktisk kan sige noget om stjernens skæbne," siger Mariam Gogilashvili, der er postdoc ved Niels Bohr Instituttet og førsteforfatter til studiet.

Simulering af 195 kollapsende stjerner

Selvom forskere i mange år har kendt til fænomenet neutrino-flavorkonvertering, har det været for beregningsmæssigt krævende at indarbejde effekten af denne fysik simuleringer af supernovaer.  

”At simulere en massiv stjernes død er i virkeligheden noget der ligger på grænsen af, hvad vi i dag er i stand til at udføre beregningsmæssigt. Det er det, fordi det er et problem, hvor der indgår rigtig meget fysik og det er ekstremt dyrt at lave,” fortæller Irene Tamborra der er professor på Niels Bohr Instituttet, leder af ’The Particle Astrophysics Group’ og den anden forfatter til studiet.

Derfor udviklede de to astrofysikere en forenklet model til simuleringerne, for på den måde at undersøge, hvilken betydning neutrinoernes smagsskift måtte have.

I et forsøg simulerede forskerne kollapset af 195 stjerner med masser mellem 9 og 120 gange Solens masse. I simuleringerne sammenlignede de modeller med og uden neutrinoers flavorkonvertering og undersøgte, hvad der skete, når processen blev udløst ved forskellige tætheder inde i stjernen.

Derefter målte de, om stjernen eksploderede som en supernova eller kollapsede til et sort hul. Og her viste resultaterne altså, at neutrinoernes adfærd kan ændre udfaldet markant, især for stjerner med masser mellem 16 og 30 solmasser.

»Det var et virkelig spændende øjeblik, da vi satte alle 195 simuleringer side om side og så en hel række stjerner skifte fra at eksplodere til at gå til grunde. At se et så tydeligt mønster på tværs af så mange stjerner viste os, at denne neutrino flavorkonvertering er noget, vi simpelthen ikke kan se bort fra, når vi forsøger at forstå, hvordan massive stjerner ender deres liv,« lyder det fra postdoc Mariam Gogilashvili.

Tættere på at forstå astronomiske mysterier

Resultaterne af Gogilashvili og Tamborras undersøgelse peger altså på, at neutrinoernes adfærd faktisk kan være med til at forklare nogle af de observationer, som længe har udfordret dette forskningsfelt.

Blandt andet det, der kaldes ”Supernovahastigheds-problemet,” som er at forskere observerer markant færre supernovaer i universet, end de teoretiske modeller forudsiger.

”Normalt opdager vi en supernova, fordi eksplosionen lyser kraftigt op. Men hvis en stjerne kollapser direkte til et sort hul uden en synlig eksplosion, eller er skjult af støv, kan den i praksis ”forsvinde” fra vores optællinger. Vores resultater peger altså på, at der er en mekanisme, som kan gøre sådanne ”mislykkede supernovaer” mere sandsynlige,” lyder det fra postdoc Mariam Gogilashvili.

”Det kan altså ikke alene give os bedre værktøjer til at forudsige, hvilken skæbne en stjerne kommer til at have. Det kan også være med til at forklare, hvorfor observationerne ikke altid stemmer overens med de teoretiske forudsigelser," supplerer professor Irene Tamborra.

Alt hænger sammen

At komme nærmere et svar på, hvad der sker med stjerner når de dør, handler ikke kun om sorte huller og neutronstjerner, teori og observationer og tilsyneladende uløselige astrofysiske problemer. Det handler også om dig og mig.

For massive stjerner danner tunge grundstoffer i løbet af deres levetid. Og når der sker en supernovaeksplosion, frigives disse grundstoffer ud i universet, hvorfra der senere dannes planeter og liv.

"Når vi undersøger, hvordan massive stjerner lever og dør, undersøger vi også, hvor mange af de grundstoffer, som universet og vi selv består af, kommer fra. På den måde hænger spørgsmål om døende stjerner sammen med spørgsmål om vores egen oprindelse," afslutter professor Irene Tamborra.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

HVAD ER EN NEUTRINO

• En neutrino er en elementarpartikel - en af de mindste byggesten i universet.
• Neutrinoer er usynlige, ekstremt lette, elektrisk neutrale og interagerer kun sjældent med stof.
• De dannes bl.a. i kernereaktioner i stjerner, i supernova-eksplosioner og andre energirige kosmiske begivenheder.
• Billiarder af neutrinoer passerer gennem din krop hvert sekund uden, at du mærker det.
• Fordi de næsten ikke påvirkes af andre kræfter, kan neutrinoer give direkte information om processer dybt inde i stjerner og om universets opståen.
• Neutrino-flavorkonvertering er en proces der sker, når neutrinoerne interagerer med forskellige typer masse i universiet.
• Neutrinoer kan veksle mellem tre forskellige varianter: elektronneutrinoen, myonneutrinoen og tauonneutrinoen. 

OM STUDIET

• Forskerne bag studiet er postdoc Mariam Gogilashvili og Professor Irene Tamborra, begge fra Niels Bohr Instituttet på Københavns Universitet
• Studiet består af simuleringer af kollapset af 195 stjerner med masser mellem 9 og 120 gange Solens masse. I forsøget sammenlignede forskerne modeller med og uden neutrinoers evne til at skifte type (flavorkonvertering).
• Studiet viser, at neutrinoers smagsskift kan påvirke om en massiv stjerne eksploderer som en supernova eller kollapser videre og danner et sort hul. Effekten er særligt tydelig for stjerner med masser mellem 16 og 30 solmasser.
• Resultaterne peger på, at neutrinoers smagsskift bør indgå i fremtidige modeller af supernovaer, neutronstjerner og sorte huller.
• Studiet er netop udgivet i Physical Review D