En supernova, explosionen av en vit dvärg eller massiv stjärna, kan skapa lika mycket ljus som miljarder normala stjärnor. Detta övergående astronomiska fenomen kan inträffa när som helst efter att en stjärna har nått sina sista evolutionära stadier.

Supernovor tros vara förknippade med extrema fysiska förhållanden, mycket mer extrema än de som observerats under något annat känt astrofysiskt fenomen i universum, exklusive Big Bang. I supernovor som involverar en massiv stjärna, stjärnans kärna kan kollapsa till en neutronstjärna, medan resten av det utvisas i explosionen.

Under dessa våldsamma stjärnexplosioner, temperaturen i den nyfödda neutronstjärnan kan nå över 600 miljarder grader, och densiteter kan vara upp till 10 gånger större än de i atomkärnor. Den heta neutronstjärnan som härrör från denna typ av supernova är en betydande källa till neutriner och kan därför vara en idealisk modell för partikelfysikstudier.

I flera decennier, astronomer och astrofysiker har försökt förbereda sig på förekomsten av en supernova, utarbeta teoretiska och beräkningsmodeller som kan hjälpa den nuvarande förståelsen av denna fascinerande kosmologiska händelse. Dessa modeller kan hjälpa till att analysera och bättre förstå nya data som samlats in med hjälp av toppmoderna detektorer och andra instrument, särskilt de som är utformade för att mäta neutriner och gravitationsvågor.

Tillbaka 1987, forskare kunde observera neutriner producerade i en supernova för den första och, än så länge, enda gången, med hjälp av instrument som kallas neutrinodetektorer. Dessa neutriner hade rest till jorden under en tidsperiod på cirka tio sekunder, Således, deras observation gav ett mått på den hastighet med vilken resterna av en supernova kunde svalna.

I decennier nu, denna mätning sågs som gränsen för hur snabbt exotiska partiklar kan kyla en supernovarest. Sedan den först introducerades 1987, denna referenspunkt, känd som "supernovakylningsbegränsningen, " har använts i stor utsträckning för att undersöka förlängningar av standardmodellen, den primära teorin för partikelfysik som beskriver fundamentala krafter i universum.

Forskare vid Max Planck Institute for Astrophysics i Tyskland och Stanford University har nyligen genomfört en studie som undersöker potentialen hos supernovor som plattformar för att avslöja ny fysik utöver standardmodellen. Deras papper, publicerad i Fysiska granskningsbrev , utforskar specifikt rollen som muoner, partiklar som liknar elektroner men har mycket större massor, kunde spela i kylningen av supernovarester.

"Medan konceptet med "supernovakylningsbegränsningar" har funnits i decennier, samhället har först nyligen börjat inse den roll som myoner kan spela i supernovor, och som resultat, mycket lite arbete hade gjorts på hur nya partiklar som kopplas till i första hand myoner kunde påverka kylningen, "William DeRocco, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Vi insåg att genom att köra banbrytande simuleringar av myoner i supernovor, vi skulle kunna lägga en kylning på dessa exotiska kopplingar, och det var så projektet föddes."

Den senaste studien presenterades i Fysiska granskningsbrev var resultatet av ett samarbete mellan två team av forskare, en på Max Planck Institute och en på Stanford. Teamet vid Max Planck Institute, består av Robert Bolling och Hans-Thomas Janka, körde en serie supernovasimuleringar som inkluderade muoniska effekter, samtidigt som de innehåller några av de senaste rönen om supernovornas fysik.

Dessa simuleringar ledde till skapandet av det största befintliga biblioteket av supernovaprofiler inklusive myoner, som nu är allmänt tillgänglig och kan nås av alla astrofysikforskare världen över. Senare, De Rocco och resten av teamet på Stanford använde detta bibliotek för att beräkna produktionshastigheter för axionliknande partiklar, försöker avgöra var i parameterutrymmet deras produktion skulle bryta mot kylningsbegränsningen som avgränsades 1987.

"Fler och mer detaljerade modeller av de komplexa processerna i supernovor tillåter oss fortfarande att använda de 33 år gamla neutrinomätningarna kopplade till Supernova 1987A för att lära oss nya aspekter om partikelfenomen, som är svåra att utforska i labbexperiment, " Janka berättade för Phys.org. "William och Peter kontaktade min postdoc Robert och mig själv med sina nya idéer via e-post, så vi gick ihop för att gå samman i detta forskningsprojekt under covid-19-låsningen på båda sidor, kommunicera via e-post och i videomöten."

DeRocco, Janka, och deras kollegor visade att supernovor kunde vara kraftfulla laboratoriemodeller för att leta efter ny muonisk fysik, något som inte var fullt uppskattat förrän nu. Deras arbete har redan inspirerat andra forskarlag att söka efter exotisk fysik bortom standardmodellen genom att studera myoner i supernovor. I framtiden, denna uppsats kan därmed bana väg för nya fascinerande upptäckter om partiklar i universum och kosmologiska fenomen.

"Jag tror att det fortfarande finns en mängd information som supernovor kan ge oss om möjliga förlängningar av standardmodellen, sade DeRocco. Hittills, vi har bara sett neutrinerna från en galaktisk supernova, men hastigheten med vilken supernovor försvinner i vår galax uppskattas vara ungefär två gånger per århundrade, så vi har en god chans att se en annan under de närmaste decennierna. Med de betydligt avancerade detektorer som vi byggt sedan 1987, informationen vi skulle få från observationen av nästa galaktiska supernova är enorm och spännande att spekulera i. Kanske är det i supernova neutrinos som vi kommer att göra vår första observation av bortom standardmodellfysik!"

© 2020 Science X Network