Egy nagy tömegű csillag élete végén elfogy a magjában a fúziót fenntartó üzemanyag, megszűnik a gravitációt ellensúlyozó nyomás, majd a belső régiók összeomlanak. Innen azonban többféle út vezet tovább. Egyes csillagok hatalmas szupernóva-robbanással vetik le külső rétegeiket, és neutroncsillagot hagynak maguk után, míg másoknál a robbanás elmarad, az összeomlás folytatódik, és végül fekete lyuk keletkezik.
Egy új kutatás szerint ebben a döntő szakaszban a neutrínók viselkedése a korábban feltételezettnél is fontosabb szerepet játszhat. A Koppenhágai Egyetem Niels Bohr Intézetének kutatói különböző tömegű csillagok összeomlását modellezték, és arra jutottak, hogy a neutrínók típusváltása jelentősen módosíthatja annak esélyét, hogy az összeomló csillag valóban szupernóvaként robban-e fel, vagy végül fekete lyukká omlik.
A magösszeomlás során a csillag központjában az anyag olyan sűrűvé válik, hogy az elektronok és protonok neutronokká alakulnak, miközben óriási mennyiségű neutrínó keletkezik. Ezek a részecskék rendkívül gyengén lépnek kölcsönhatásba az anyaggal, ezért normális körülmények között szinte akadálytalanul haladnak keresztül rajta. Egy összeomló csillag belsejében azonban olyan nagy számban vannak jelen, hogy még ez a gyenge kölcsönhatás is komoly hatást gyakorolhat a robbanás menetére.
A csillagmag összeomlásakor felszabaduló gravitációs energia túlnyomó részét neutrínók viszik el. Ezek egy kis része ugyanakkor energiát ad vissza a mag fölötti anyagnak. Ez a neutrínófűtés segíthet újra felgyorsítani azt a lökéshullámot, amely az összeomlás után kifelé indul, majd rövid időre megtorpan. Ha a lökéshullám elegendő energiát kap, ismét kifelé kezd terjedni, szétszakítja a csillag külső rétegeit, és létrejön a szupernóva-robbanás. Ha nem kap elegendő energiát, az anyag tovább zuhan befelé, a csillagmag tömege tovább nő, és végül fekete lyuk keletkezhet.
A neutrínóknak három típusa van: elektron-neutrínó, müon-neutrínó és tau-neutrínó. A kvantummechanika miatt ezek a részecskék haladás közben képesek egyik típusból a másikba átalakulni. Ezt a folyamatot neutrínóoszcillációnak, illetve neutrínótípus-váltásnak nevezzük.
Ez a folyamat azért számít, mert a különböző neutrínótípusok nem teljesen ugyanúgy lépnek kölcsönhatásba az összeomló csillag anyagával. Az elektron-neutrínók és antineutrínók közvetlenebbül részt vesznek azokban a reakciókban, amelyek energiát adnak át a lökéshullám mögötti anyagnak. Ha tehát megváltozik, milyen arányban vannak jelen az egyes neutrínótípusok, akkor az energiaátadás mértéke is módosulhat. Korábban ezt a típusváltást sok modellben csak kisebb korrekciónak tekintették. Az újabb kutatások azonban azt mutatják, hogy egy összeomló csillag belsejében a neutrínók sűrűsége olyan nagy lehet, hogy maguk a neutrínók is befolyásolják egymás kvantumállapotát. Emiatt gyors, kollektív átalakulások indulhatnak el közöttük.
Ezek a típusváltások már viszonylag közel a csillagmaghoz megjelenhetnek, vagyis olyan régiókban, ahol még közvetlenül befolyásolhatják a lökéshullám sorsát.
Az új szimulációk egyik legfontosabb eredménye az volt, hogy bizonyos csillagtömegek esetében a neutrínótípusok közötti átalakulás megváltoztatta a robbanás kimenetelét. Több olyan modell, amely a típusváltások figyelmen kívül hagyásával sikeresen szupernóvaként robbant fel, az átalakulások beépítése után már nem tudta kellően újraindítani a lökéshullámot. Ezekben az esetekben a csillag nagyobb eséllyel omlott tovább, és végül fekete lyuk keletkezett belőle.
A kutatás különösen a körülbelül 16 és 30 naptömeg közötti csillagok esetében talált számottevő különbséget. Ez kapcsolatba hozható azzal a régi csillagászati problémával is, hogy kevesebb magösszeomlásos szupernóvát látunk, mint amennyit a nagy tömegű csillagok száma alapján várnánk.
Az egyik lehetséges magyarázat az úgynevezett sikertelen szupernóva. Ilyenkor a csillag belseje összeomlik, de a lökéshullám nem kap elegendő energiát ahhoz, hogy szétvesse a külső rétegeket. A csillag így nem produkál klasszikus, fényes szupernóva-robbanást, hanem viszonylag csendesen fekete lyukká omlik. Az új modellek szerint a neutrínók típusváltása növelheti az ilyen sikertelen robbanások arányát. A hatás nemcsak azt befolyásolhatja, hogy létrejön-e szupernóva, hanem azt is, milyen neutroncsillag marad vissza azokban az esetekben, amikor a robbanás sikeres. A számítások alapján a neutrínótípusok átalakulása módosíthatja a visszamaradó neutroncsillagok tömegeloszlását is.
Ez segíthet megmagyarázni, miért nem egyezik mindig pontosan a megfigyelt neutroncsillagok tömegeloszlása az egyszerűbb szupernóva-modellek előrejelzéseivel. Ha a neutrínók típusváltása valóban jelentősen módosítja a robbanás menetét, az közelebb viheti az elméleti számításokat a megfigyelésekhez. A neutrínók típusváltása nem egy kapcsoló, amely egyszerűen „szupernóva” vagy „fekete lyuk” állásba billenti a csillagot, hanem inkább egy újabb fontos tényező egy rendkívül érzékeny fizikai rendszerben.
Egy nagy tömegű csillag végső sorsát tehát nem pusztán a tömege határozza meg. Számít a belső szerkezete, a sűrűségeloszlása, a turbulens áramlások, az anyag viselkedése extrém nyomáson és hőmérsékleten, valamint az is, hogy a neutrínók miként alakulnak át egyik típusból a másikba. Ezek az alig kölcsönható részecskék így végül beleszólhatnak abba, hogy egy haldokló csillagból neutroncsillag születik-e, vagy új fekete lyuk jelenik meg az Univerzumban.
