Najveći događaji u svemiru ponekad su potaknuti najmanjim česticama. Ovo se posebno odnosi na supernove koje proizvode ogromne količine subatomskih čestica poznatih kao neutrini. Ove neutralne čestice rijetko reagiraju s drugim materijalima, ali tijekom urušavanja supernove, njihova uloga postaje presudna.
“U tom trenutku, neutrini prelaze iz pasivnih čestica – gotovo promatrača – u glavne elemente koji pomažu u urušavanju,” izjavio je Martin Savage, profesor fizike na Sveučilištu Washington, u nedavnom priopćenju za javnost. “Supernove su zanimljive iz više razloga, uključujući i mjesta gdje se proizvode teški elementi poput zlata i željeza. Ako bolje razumijemo neutrine i njihovu ulogu u urušavanju zvijezda, možemo bolje predvidjeti događaje poput supernove.”
Nova saznanja kroz kvantne simulacije
Kako bi bolje razumjeli interakcije i ponašanje neutrina u umirućim zvijezdama, Savage i njegov kolega Marc Illa proveli su složene simulacije na kvantnom računalu, koristeći resurse Oak Ridge Leadership Computing Facility. Njihovi rezultati, objavljeni u časopisu Physical Review Letters, pružaju nove uvide u ponašanje ovih čestica tijekom urušavanja zvijezda.
Što su neutrini?
Unutar Standardnog modela fizike, neutrini igraju ključnu ulogu jer su najzastupljenije čestice s masom u svemiru. Njihove gotovo bezmasne i neutralne karakteristike čine ih vrlo teškima za mjerenje. Neutrini nastaju u nuklearnim reakcijama, od onih u Suncu do onih u atomskim bombama.
Postojanje neutrina fizičari su prvi put predvidjeli 1930. godine, ali tek 1956. godine su mogli dokazati njihovo postojanje. Međutim, ključna pitanja ostaju neriješena, uključujući točnu masu neutrina i njihovu interakciju s drugim materijalima, poput onih u središtu supernove.
Što se događa kada zvijezde umiru?
Eksplozivni završetak zvijezde, poznat kao supernova, događa se kada zvijezda ostane bez goriva za nuklearne fuzijske reakcije i uruši se sama u sebe. Nuklearne fuzijske reakcije, obično potaknute vodikom, stvaraju izlaznu energiju koja sprječava urušavanje zvijezde. Na kraju životnog ciklusa zvijezde, gravitacijske sile prevladavaju, uzrokujući nagli porast temperature.
Zvijezda se tada klasificira kao crveni div, jer se fuzija vodika događa samo na vanjskim rubovima. Kada izgubi vanjske slojeve, postaje bijeli patuljak. Ako bijeli patuljak ima dovoljnu masu, dolazi do supernove. Jezgra zvijezde preživljava kao crna rupa ili neutronska zvijezda.
Supernove nisu česte, ali kemijske reakcije koje se u njima događaju fasciniraju znanstvenike već desetljećima. Znanstvenici su primijetili skokove u broju neutrina koji se podudaraju s događajima supernove, jer neutrini razmjenjuju energiju i moment s drugim materijalima u eksploziji.
Kvantno računanje za složene simulacije
Savage i Illa odlučili su simulirati supernovu kako bi detaljnije proučili interakcije neutrina. Prethodne simulacije provedene su na klasičnim računalima, ali su istraživači željeli koristiti kvantno računalo kako bi dublje istražili kvantna stanja neutrina unutar supernove.
Kvantna računala koriste kvantno-mehanička svojstva poput zapletenosti i superpozicije za rješavanje složenijih problema nego tradicionalna računala. Kvantna računala koriste kvantne bitove ili “qubit” koji mogu biti neutralni ili superprovodni atomi, fotoni ili druge čestice.
Prethodna istraživanja pokazala su da se neutrini mogu zaplesti unutar procesa supernove.
“Ovi neutrini su zapleteni, što znači da interagiraju ne samo sa svojim okruženjem i drugim neutrinoima, već i sami sa sobom,” rekao je Savage. “Izuzetno je teško simulirati ovakav sustav jer je zapletenost intrinzično kvantno-mehaničko svojstvo koje nadilazi mogućnosti klasičnog računanja. Zato koristimo kvantno računalo koje temelji izračune na kvantnoj fizici.”
Ponašanja neutrina
Koristeći kvantno računalo tvrtke Quantinuum kroz Oak Ridge Leadership Computing Facility, istraživači su simulirali interakcije između 12 neutrina (dok tradicionalna supernova sadrži septendecilion, odnosno 10^54 neutrina).
Njihove simulacije otkrile su detalje o tome kako neutrini postaju zapleteni, mijenjaju svoje karakteristike i postaju različite vrste neutrina. Tim se nada proširiti simulaciju na 50 neutrina.
“Ovi sklopovi su se pokazali vrlo dobrima u približavanju ponašanja neutrina,” rekao je Savage. “Otkrili smo da možemo koristiti ove simulacije za mjerenje zapletenosti neutrina na statistički značajan način i identificirati značajno skaliranje veličine s povećanjem broja neutrina. Ovo je prvi put da je takva studija provedena.”
Korištenje kvantnih računala za proučavanje neutrina u supernovama otvara nove mogućnosti za razumijevanje svemira. Ove simulacije pomažu znanstvenicima da steknu dublji uvid u ponašanje neutrina, što može dovesti do značajnih otkrića o supernovama i procesima koji stvaraju teške elemente. S obzirom na važnost ovih istraživanja, buduće simulacije obećavaju još detaljnije uvide u jedan od najfascinantnijih fenomena svemira.
Pozdrav svima! Hvala što čitate Kozmos.hr! Ja sam Ivan i dugi niz godina pišem o svermiu, astronomiji, znanosti, povijesti i arheologiji, a imao sam priliku sudjelovati i u dokumentarcima Science Discovery-ja te History Channel-a.
