Neutrina z implozyjnych supernowych

Supernowa kończy życie masywnej gwiazdy. Gdy gwiazda taka umiera, następuje spektakularna eksplozja — największa, jaką obserwuje się we wszechświecie.

Naukowcy sądzą, że w jej wyniku powstają ogromne ilości neutrin, które niosą ze sobą olbrzymie ilości energii, gdy gwieździe kończy się paliwo i zapada się. Część tych neutrin jest pochłaniana przez zapadającą się materię, która staje się gorąca i rozszerza się. W końcu gwiazda eksploduje z niesłychaną siłą.

W ułamku tych neutrin naukowcy uczestniczący w pewnym unijnym projekcie znaleźli wyjątkowe laboratorium astrofizyczne, umożliwiające badanie ewolucji zapachu tych cząstek. Inicjatywa DENSE NEUTRINOS (Neutrino oscillations in dense medium: Probing particle physics together with astrophysics and cosmology) skupiała się na niestabilnościach zapachu powodowanych przez oddziaływania między neutrinami zachodzącymi w najgłębszych obszarach gwiazd.

Skutecznym narzędziem do diagnozowania niestabilności była liniowa analiza stabilności równań ruchu neutrin. Metoda ta pomogła w określeniu początków zmian zapachu w oparciu o realistyczne profile gęstości neutrin i materii implozyjnej supernowej. Zespół DENSE NEUTRINOS zastosował tę metodę do pozbycia się założenia symetrii osiowej w propagacji neutrin.

Stwierdzono niestabilność o wielu kątach azymutalnych oprócz niestabilności o wielu kątach zenitowych. Wyniki tych prac porównano z symulacjami numerycznymi opartymi na nieliniowych równaniach propagacji neutrin, wprowadzając kąt azymutalny jako zmienną dodatkową obok kąta zenitowego. Niejednorodne rozkłady kątowe okazały się hamować wzrost niestabilności zapachu.

Profile gęstości neutrin i materii zastosowane w badaniu DENSE NEUTRINOS otrzymano przy pomocy modeli eksplozji z zapadnięciem się rdzenia. Zaskakującą cechą tych symulacji było to, że emisja w jednej półkuli gwiazdy była silnie zdominowana przez neutrina elektronowe. W drugiej półkuli zaobserwowano podobne przepływy elektronowych antyneutrin i neutrin.

Dzięki obserwacjom wysokoenergetycznych neutrin przy pomocy na przykład eksperymentu IceCube oraz dzięki mocy obliczeniowej możliwej do uzyskania przy pomocy architektur równoległych naukowcy mogą teraz uzyskać pełniejsze informacje na temat fizyki supernowych implozyjnych. Projekt DENSE NEUTRINO oznacza olbrzymi krok w tym kierunku.