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品各“味”中微子: 爆炸恒星中,中微子“味”的变化

品各“味”中微子: 爆炸恒星中,中微子“味”的变化
2021年07月24日 09:02 新浪网 作者 天文在线

  简介:中微子不仅在超新星爆炸中起着重要作用,而且我们需要考虑它们的所有特征,才能真正了解恒星爆炸的原因。超新星爆炸会产生数量惊人的中微子,它们不会与正常物质相互作用,对他们来说,地球本身是完全透明的。在简单的物理学模型中,恒星并不会发生超新星爆炸。而在引入中微子后,科学家建了一个非常复杂的恒星爆炸核心计算机模型,它将有可能解释超新星爆炸。

  我一直好奇宇宙是否也有黑色幽默,不然,我又怎能想到,“轻飘飘”的宇宙尘埃竟能引发震天动地的大爆炸呢?

  最新研究表明:中微子不仅在超新星爆炸中起着重要作用,而且我们需要考虑它们的所有特征,才能真正了解恒星爆炸的原因。

  恒星在其核心通过核聚变将轻元素转化为重元素,并产生能量。一个恒星抵抗万有引力避免自身坍缩的原因就在于此:恒星自身产生的热使其膨胀,并与自身的万有引力相抗衡。

  同时,大质量恒星可以将这种能量产生过程推向极致:类似太阳的大多数低质量恒星会在氦融合为碳和氧后停止产能,而大质量恒星会接着继续融合,直至彻底将元素转化为铁。

  然而,当一个大质量恒星的核心变成铁时,一系列问题将随之而来——恒星中心区一旦不能再产生热能,引力必然会占主导地位!于是,核心坍缩了,进而产生一次巨大的能量爆炸。这种爆炸能量很强,以至于能“吹散”恒星外层的结构,进而产生一次超级爆炸,这种天体,我们称之为超新星。

  (图解:哈勃太空望远镜观测到的蟹状星云,超新星遗迹。来源: 美国国家航空航天局,欧洲航天局,J.海丝特和A.阿罗尔 (亚利桑那州立大学))

  爆炸中最重要的一环便是四处游荡的中微子。令人费解的是,单独观测这些亚原子微粒时,就感觉它们在宇宙诞生时就如鬼魅一样虚无缥缈四处游荡。

  中微子的结构注定它们不与大多数物质发生反应,以至于它们能随意通过物质。对于中微子来说,地球就完全是透明的存在,它们能轻松地穿过地球,就好像地球根本不存在一样。

  但当大质量恒星的铁核爆炸时,大部分的中微子和它释放的能量将被恒星核心外的物质吸收掉。同时,当下降的物质非常密集时,它们同样也会捕获许多中微子。

  中微子的灵魂蒸发波赋予物质的能量不仅足以阻止恒星爆炸,还能逆转爆炸的发生,同时随之向外爆发出十的二十七次方吨的、速度接近光速的恒星物质!

  超新星爆发时,仅可见光的能量就与整个太阳系的输出能量不相上下。然而,可见光的能量只可怜地占了这场爆发总能量的百分之一,其中,爆炸能量的大部分会以高能中微子的形式向四周释放。

  在这一点被理解之前,理论天文学家很难想象恒星核心的坍缩会导致爆炸的原因。当时几个简单的物理模型显示:恒星的爆炸会停止,超新星的则不会。随着时间的推移,我们的计算机越来越复杂,输入的模型方程也越来越复杂,这可能更有利于现实真相的建立!当中微子加入时,我们就发现,它,其实才是这个模型中的关键因素!

  这些模型现在相当精确,但仍有进步空间。我们知道,中微子有三种存在形式,称为“味”,有电子型中微子,τ型中微子和μ 型中微子。我们同样了解到,中微子在特定情况下“味”会发生改变,这意味着它们可能在振荡过程中变成其他不同类型的中微子。而这,又对超新星有什么影响呢?

  一个致力于此项研究的科学家团队用计算机建立了一个非常复杂的恒星核心爆炸模型。模型中加入了中微子,并且允许中微子在不同“味”之间来回切换,也允许它们互相影响。当恒星核心爆炸时,中微子的类型转换速度也加快了,这种现象被称为中微子振荡。

  他们发现,当允许中微子三种“味”的存在,以及允许它们互相转换、相互影响时,它们的确或多或少地影响坍缩的恒星核心的状态。例如,中微子可能不是各向同性发射的(向各个方向发射),而是具有一定的散射角,也就是说,它们可能会“选择”角度向四周发散!

  然而,他们的研究可能与原有的理论和假设大相径庭。我们了解到,一些超新星爆炸并不是对称的,而是发生在核心中心外,或是在不止一个地方发生爆炸。当中微子所蕴含的能量爆发时,其程度难以想象,以至于即使是轻微的不对称都会给爆炸天体的核心带来巨大的冲击,使坍塌的核心(将变成中子星或是黑洞)像火箭一样“被发射出去”。

  这些科学家使用的模型是得知这种影响及其程度大小的关键第一步。正如他们所展示的模型运行结果,所有的中微子特征都很重要,但仍存在部分未知细节有待商榷。

  (图解:超新星爆炸的残留物。结合了哈勃的可见光图像和钱德拉的x射线观测。不同的颜色代表不同波长的光,这些不同波长的光往往来自不同的元素,如氧、钙和铁。来源: x射线: NASA/CXC/RIKEN/T.Sato; 光学: NASA/STScI)

  不过,这还是令人兴奋!就在我研究生参加恒星内部物理学课程时,当时最先进的模型仍然难以阐明恒星的爆炸过程。现在,我们不仅有了更加先进的模型,而且已经开始向未知的领域进发。不仅如此,我们甚至还可以转换思维方式,用肉眼观察天空中真正的超新星,用灵魂向它们发问,看看它们是否能在爆炸时告诉我们中微子的“那些事儿”!

  有趣的是,超新星爆炸产生了很多你日常之所见:你骨头中的钙元素、你血液中的铁元素,以及构成生命、空气以及岩石的各类元素。中微子在这场爆炸中担任的角色至关重要,它们在短短一瞬间产生了如此多的东西,并且远超我们生存所依赖的数量。然而,中微子一旦被制造出来,它们就对大部分物质视而不见,形如鬼魂,当它们从一个地方穿到另一个地方时,对其所存在的生物也无任何影响。

  而对中微子来说,那些在一瞬间之后被创造的物质都太“老”了。

  我将宇宙拟人化,认为它有幽默感。因此有时我会想,宇宙将会向我提供能证实我言论的讯息!

  BY: Phil Plait

  FY: 欠打教圣徒

  

  

  选文:天文志愿文章组-长庚先生

  翻译:天文志愿文章组-欠打教圣徒

  审核:天文志愿文章组-

  终审:天文志愿文章组-零度星系

  排版:天文志愿文章组-零度星系

  美观:天文志愿文章组-

  参考资料

  1.WJ百科全书

  2.天文学名词

  3.原文来自:https://www.syfy.com/syfywire/tasting-neutrinos-flavor-changing-in-the-cores-of-exploding-stars

  本文由天文志愿文章组-欠打教圣徒翻译自文章作者Phil Plait的作品,。

  注意:所有信息数据庞大,难免出现错误,还请各位读者海涵以及欢迎斧正。:天文在线(零度星系)

  结束,感谢您的阅读与关注

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