Каждые сто лет в среднем две массивные звезды нашей галактики взрываются сверхновыми. Эти взрывы посылают во Вселенную тяжелые элементы, созданные в горниле звезды и используемые для создания других звезд и планет, а также фундаментальные, не имеющие заряда частицы – нейтрино, которые устремляются в том числе и к нам и создают гравитационные волны, которые человеку пока не удалось засечь. Ученые во всеоружии поджидают нейтрино и гравитационные волны от примерно тысячи взрывов в нашей галактике, но оружие это, к сожалению, далеко от совершенства. На Земле построены крупные лаборатории и устройства, предназначенные для ловли этих частиц и волн. Если это удастся сделать, то, в частности, можно будет понять, что же происходит в сердце звезды прямо перед взрывом.

Есть, правда, одна загвоздка даже в том случае, если удастся поймать нейтрино или гравитационную волну: надо знать, как интерпретировать данные, которые выдадут детекторы. Чтобы подготовиться к обнаружению частиц и волн, пока можно проводить математическое моделирование. Сотрудники Калтеха, используя компьютерное моделирование, нашли то, что, по их мнению, станет неопровержимым доказательством, своего рода подписью (signature), события фиксации нейтрино или гравитационной волны. Если ядро звезды, готовой в любой момент взорваться сверхновой, быстро вращается, то испускаемые им нейтрино и волны также должны оставлять на приемниках колеблющийся сигнал той же частоты.

«Мы увидели эту связь в результатах нашего моделирования, и она нас очень удивила, – говорит Кристиан Отт, профессор теоретической физики Калтеха, первый автор публикации исследования в Physical Review D. – В сигнале, приходящем от одинокой гравитационной волны, эту связь можно заметить даже при медленном вращении звезды. Но если звезда вращается очень быстро, то колебания видны уже и в сигналах нейтрино, и гравитационных волн, что достаточно ясно говорит о вращении звезды. Примерно так, как дымящийся ствол недвусмысленно указывает на выстрел».

Визуализация результатов моделирования.

Ученые до сих пор не знают всех деталей событий, вызывающих взрыв массивной звезды (она должна быть как минимум в десять раз тяжелее Солнца) и появление сверхновой. Общее понимание процесса было достигнуто еще Фрицом Цвики и Вальтером Бааде в 1934 году. Суть в том, что когда огромная звезда расходует все своей топливо и уже не может поддерживать термоядерные реакции в ядре, гравитационное притяжение одолевает излучение, вызываемое реакцией, и звезда начинает сжиматься, образую протонейтронную звезду. Затем в дело вступает сильное взаимодействие, чья мощь возрастает из-за сжатия и сближения атомов. В результате возникает ударная волна, которая, напротив, разрывает звезду. Но все же эта волна недостаточно мощна, чтобы полностью разрушить звезду, и процесс останавливается. То, что завершает взрыв сверхновой, пока не выявлено. Что же может оживить заглохшую ударную волну?

Существует несколько теорий, объясняющих возобновление взрыва. Необходимую энергию могут дать нейтрино, если они были поглощены прямо перед взрывом, а затем освободились вместе с энергией. Быстро вращающаяся протонейтронная звезда может создавать достаточно мощное магнитное поле, которое заставляет материал звезды улетать двумя реактивными струями из полюсов, что тоже способно оживить ударную волну. Наконец, взрыв может объясняться комбинацией этих и/или других факторов. Связь, найденная командой Отта, может показать, насколько существенен вклад вращения звезды во взрыв, если он вообще есть.

Но такую информацию не удастся получить от телескопа, ведь он дает сведения только о поверхности звезды, тогда как необходимо знать, что происходит внутри. Нейтрино и гравитационные волны, в то же время, исходят из ядра умирающей звезды. Что не менее важно – они почти не взаимодействуют с другими частицами и путешествуют по Вселенной со скоростью света. Это значит, что они несут практически не измененную информацию о том, что происходило в ядре звезды в момент отбытия вестников.

Способность нейтрино проникать через материю, взаимодействуя только слабо (в формальном и обычном смыслах), делает их не только полезными, но и чрезвычайно трудными в наблюдении. Тем не менее, нейтрино уже были пойманы. Например, 20 нейтрино от взрыва сверхновой 1987a в Большом магеллановом облаке в феврале 1987 года. Если же взрыв произойдет в Млечном пути, то те же детекторы смогут собрать до 10000 нейтрино. К ним добавились детекторы гравитационных волн, такие как LIGO. Они должны выполнить свою работу впервые, так как эти волны пока ускользают от человека.

«Нас не особенно удивило, что сигнал гравитационных волн сильно изменился [при вращении звезды], – говорит Отт. – Более важным открытием стало то, что сигнал от нейтрино коррелирует с этим колеблющимся сигналом гравитационных волн». Корреляция была отмечена при высокой скорости вращения протонейтронной звезды – около 400 оборот в секунду.

Уже запланированы дальнейшие исследования, в ходе которых будет детально изучаться влияние скорости вращения звезды на связь колебаний сигналов от нейтрино и от гравитационных волн. Будем надеяться, что это работа подготовит нас к изучению ближайшей сверхновой.