I neutrini sono cose sconcertanti. Sono minuscole particelle, quasi prive di massa, prive di carica elettrica. Sono anche notoriamente difficili da rilevare e gli scienziati hanno fatto di tutto per rilevarli. Il Osservatorio IceCube sui neutrini , ad esempio, cerca di rilevare i neutrini con stringhe di rivelatori sepolti fino a una profondità di 2450 metri (8000 piedi) nel ghiaccio antartico scuro.
Com'è per l'impegno.
I neutrini hanno una relazione con le supernovae, stelle massicce che esplodono alla fine della loro vita. I neutrini potrebbero avere un ruolo nell'innescare le eventuali esplosioni di supernovae di queste stelle. Per questo e molti altri motivi, gli astronomi ne sono profondamente curiosi.
Un nuovo studio ha esaminato i cosiddetti 'neutrini pre-supernova' che possono essere rilevati prima della supernova vera e propria. La nuova ricerca dovrebbe aiutare gli astronomi a comprendere più dettagliatamente il complesso fenomeno delle supernovae.
Il nuovo studio si intitola “ La sensibilità dei neutrini presupernova ai modelli di evoluzione stellare .” Lo studio è co-autore di Ryosuke Hirai dal Centro di eccellenza ARC per la scoperta delle onde gravitazionali (OzGrav) alla Monash University. Il documento è disponibile sul sito di prestampa arxiv.org.
Una stella morente può emettere un'enorme quantità di neutrini, che possono innescare l'esplosione stessa della supernova. Scorrono attraverso e fuori dalla stella prima che l'esplosione all'interno della stella raggiunga la superficie. Per questo motivo, è possibile rilevare i neutrini di una supernova prima che la stella esploda effettivamente.
È successo con SN1987A , una supernova esplosa nella Grande Nube di Magellano nel 1987. Circa due o tre ore prima che la luce di quella supernova ci raggiungesse, tre diversi osservatori di neutrini hanno rilevato un'esplosione di neutrini. Sebbene la supernova abbia rilasciato un numero enorme e astronomico di neutrini, i tre osservatori ne hanno rilevati solo 25, sottolineando quanto sia difficile studiare i neutrini.
Questa immagine mostra una rappresentazione visiva di uno dei rilevamenti di neutrini a più alta energia sovrapposta a una vista dell'IceCube Lab al Polo Sud. IceCube non esisteva nel 1987 ed è più potente degli osservatori di neutrini che operavano allora. Credito: collaborazione IceCube
Quella rilevazione di neutrini ha dato alla luce astronomia dei neutrini . E le osservazioni si sono anche allineate con la teoria che mostra che il 99% dell'energia di una supernova è sotto forma di neutrini.
Ma il 1987 è stato molto tempo fa, in termini di progresso tecnologico. I rilevatori di neutrini di oggi sono migliori e gli scienziati pensano che se una supernova simile dovesse esplodere oggi, rileveremmo molti più neutrini. Invece dei 25 rilevati nel 1987, ne rileveremo ben 50.000.
In effetti, la tecnologia è migliorata così tanto che gli astronomi pensano che rileveranno i neutrini pre-supernova giorni prima dell'esplosione, anziché solo due o tre ore. Poiché ora possiamo rilevarne così tanti, e da una fase precedente dell'esplosione della supernova, gli astronomi pensano che saranno in grado di saperne di più sul processo della supernova quando si verificherà il prossimo.
Anche se gli astronomi e gli astrofisici sanno molto sul processo della supernova, c'è ancora un'enorme quantità di dettagli da scoprire, soprattutto nelle fasi finali. I ricercatori sperano che rilevando un gran numero di neutrini, e fin dalle prime fasi del processo della supernova, possano chiarire alcuni dettagli. Molti scienziati hanno costruito modelli delle fasi finali di una supernova, ma i risultati sono casuali ed è difficile verificare eventuali teorie.
In questo nuovo studio, gli autori hanno modellato diversi scenari per una supernova con una stella progenitrice di 15 massa solare. La loro idea era quella di 'indagare la diversità dei neutrini presupernova indotti' dai diversi modelli. I neutrini hanno luminosità diverse a seconda dello stadio di una supernova da cui derivano. Modellandolo, avranno una migliore comprensione di ciò che 'vedranno' la prossima volta che esploderà una supernova.
In un comunicato stampa, il ricercatore e coautore di OzGrav Ryosuke Hirai ha dichiarato: “Questo ci aiuterà a ottenere il massimo dalle informazioni dai futuri rilevamenti di neutrini pre-supernova. In questo primo studio, abbiamo esplorato l'incertezza su una singola stella che è 15 volte la massa del Sole. L'emissione di neutrini calcolata da questi modelli stellari differiva notevolmente nella luminosità del neutrino. Ciò significa che le stime dei neutrini pre-supernova sono molto sensibili a questi piccoli dettagli del modello stellare».
Una supernova a collasso del nucleo. All'interno di una stella massiccia ed evoluta (a) i gusci degli elementi a strati di cipolla subiscono la fusione, formando un nucleo di ferro (b) che raggiunge la massa di Chandrasekhar e inizia a collassare. La parte interna del nucleo viene compressa in neutroni (c), causando il rimbalzo del materiale in caduta (d) e la formazione di un fronte d'urto che si propaga verso l'esterno (rosso). Lo shock inizia a bloccarsi (e), ma viene rinvigorito da un processo che può includere l'interazione del neutrino. Il materiale circostante viene spazzato via (f), lasciando solo un residuo degenerato. Gli astrofisici hanno alcune grandi domande senza risposta sul ruolo effettivamente svolto dai neutrini. Credito immagine: illustrazione di R.J. Sala. Ridisegnato in Inkscape da Magasjukur2 – File: Core crollo scenario.png, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12779311
Le supernovae sono eventi astrofisici squisitamente complessi e dettagliati. La diversità dei neutrini emessi dipende da tutti i tipi di fattori. Gli autori affermano che il loro è un modello fenomenologico che 'svolgerà un ruolo fondamentale per colmare il divario tra la teoria dell'evoluzione stellare e le osservazioni dei neutrini'.
Una delle lacune nella nostra comprensione dei neutrini e delle supernove riguarda le supernove con collasso del nucleo. Quando il nucleo inizialmente collassa, questo produce neutrini elettronici, e quindi il nucleo di neutroni surriscaldato produce altri tipi di neutrini. Gli astrofisici pensano che la stragrande maggioranza di tutti quei neutroni lasci la stella. Ma l'uno percento di loro effettivamente deposita la propria energia negli strati esterni della stella. Quell'energia guida l'eventuale distruzione catastrofica della stella. Ma questa è solo una teoria a questo punto e sono necessarie più osservazioni per capirla. Altre osservazioni e più modelli come in questo articolo.
Per gli autori, questo lavoro è solo un primo passo. 'I risultati presentati in questo articolo sono ancora incompleti e questo articolo è uno studio pilota per indagini più approfondite per collegare i neutrini presupernova alla teoria dell'evoluzione stellare', scrivono nella conclusione del documento.
Sembra che l'intera comunità degli astrofisici stia aspettando l'esplosione della prossima supernova. Gli scienziati sono pronti ad ampliare la loro comprensione delle supernove e dei neutrini in grande stile. Come gli autori di a carta separata sulle supernovae e sui neutrini ha scritto: 'Il segnale di neutrini ad alta statistica dalla prossima supernova vicina (SN) fornirebbe una miriade di informazioni astrofisiche e di fisica delle particelle'.
'La prossima supernova nella nostra galassia può accadere in qualsiasi momento e gli scienziati non vedono l'ora di rilevare i neutrini pre-supernova, ma non sappiamo ancora cosa possiamo imparare da essa', ha detto Ryosuke Hirai in un comunicato stampa . “Questo studio delinea i primi passi su come interpretare i dati. Alla fine, saremo in grado di utilizzare i neutrini pre-supernova per comprendere le parti cruciali dell'evoluzione massiccia delle stelle e il meccanismo di esplosione della supernova».
Di più:
- Comunicato stampa: COSA SUCCEDE PRIMA CHE UNA STELLA ESPLODI E MORIRE? NUOVA RICERCA SUI NEUTRINI PRE-SUPERNOVA
- Documento di ricerca: La sensibilità dei neutrini presupernova ai modelli di evoluzione stellare
- Universo oggi: I neutrini ad alta energia provengono da buchi neri supermassicci