計算機模擬恒星死亡發射強大中微子與引力波 _銀河系

每個世紀，我們銀河系中都會出現兩次左右的超新星爆發事件，恒星在末年時期的死亡爆炸可向宇宙空間中釋放大量的中微子流，這是一個不帶電的基本粒子，并且使得周圍時空產生漣漪，也就是神秘的引力波。科學家通過一個最新恒星演化模型模擬了一顆恒星末年在演化成中子星的路徑上，內部區域發生坍縮的1.5毫秒時刻情景。

計算機生成的1987年超新星爆發3D圖像
科學家們目前正在監控銀河系中大約1000顆超新星，等待它們所釋放的中微子和引力波傳遞到地球上，其坐落在銀河系中距離我們非常遙遠的宇宙空間中。在地球上，研究人員建立了大型、靈敏度極高的中微子和引力波探測器，尋找到這些信號有助于為科學家們提供大質量恒星在內部區域坍縮時刻所發生事件的信息。

科學家繪制大質量恒星內部坍縮時的中微子與引力波曲線
圖中顯示了快速旋轉的大質量恒星內部坍縮崩潰時的數據模型，紅色區域代表溫度較高，而藍色區域則相對較低，黑色箭頭的方向暗示了恒星物質的的流動方向，兩條黑色輪困的白色曲線表示的中微子（上端曲線）和引力波（下端曲線）的信號。
如果要讀取關于恒星內部區域坍縮的信息，科學家們需要首先了解中微子探測器和引力波探測器收集到的信息。對此，加州理工學院的研究人員發現如果恒星在死亡爆炸前，其內部核心以較高的速度出現旋轉，這個時候向外發射的中微子和引力波信號處于相同的震蕩頻率上。我們可以通過計算機模型將此類事件模擬出來。

黑洞碰撞等宇宙事件可產生引力波
根據加州理工學院理論天體物理學助理教授、本項研究論文的第一作者克里斯蒂安·奧特（Christian Ott）介紹：“我們對實驗產生的相關性結果感到驚訝，在一個獨立的引力波信號中，我們甚至可以在恒星內部探索區域獲得相關的震蕩信號。”但如果是對于快速自轉的恒星，我們可以收集到關于中微子和引力波震蕩事件發生的信息，同時也證明了這顆恒星內部坍縮區域存在較快的旋轉速率。該論文已經發表在最新一期的《物理評論D》刊上
目前科學家們還不十分清楚一顆大質量恒星演化成超新星的所有詳細信息，而它們至少在質量上是太陽的十倍。加州理工學院天文學家弗里茨·茲維基（Fritz Zwicky）和他的同事沃爾特·巴德（Walter Baade）在1934年首次發現當一顆恒星的燃料全部耗盡時，將支撐不起自身引力場的作用，開始向內發生引力坍縮，形成的天體就是我們發現的中子星。

引力波探測器繪制全天引力波分布圖
我們現在還知道了一種宇宙間存在的神秘力量，其被稱為強核力，在中子星內部，強核力將控制并導致沖擊波的產生，進而撕裂恒星的內部核心。但是這些沖擊波的能量還不足以完全使恒星發生徹底爆發，其存在的目的是啟動部分破壞性的作用。因此，科學家們希望尋找到其他可支持恒星最后爆發的機制，即“超新星爆發機制”，在該機制的主導下將恒星徹底摧毀。當前的理論表明，中微子在其中扮演了重要作用，可以使超新星爆發機制重新激活。
原中子星是即將發生超新星爆炸時空的恒星內核，是核坍縮模型中先出現的演化步驟，原中子星可以足夠快的速度旋轉，如同一個發電機不斷產生磁場，將恒星內部區域的物質向外遷移，通過兩個極區從而形成噴流，因此該機制可以使得撕裂恒星內部的沖擊波復蘇，并引發爆炸。

美國宇航局與歐洲空間局打造的激光干涉空間天線
加州理工學院理論天體物理學助理教授克里斯蒂安·奧特的研究團隊認為恒星內部區域的坍縮模型也可能是其他效應的組合作用，目前已經建立了一種方法來確定恒星核心的旋轉是否在形成超新星進程中扮演重要作用。僅從空間望遠鏡的觀測結果中我們只能了解恒星外圍發生的事件，并不能收集到內部信息。
另一方面，從恒星內部區域向外釋放的中微子和引力波幾乎與其他粒子發生相互作用和影響，最終以光速穿過宇宙空間。這意味這中微子和引力波攜帶了關于恒星內部的信息。中微子可穿過宇宙空間，與其他物質發生相互作用的較弱，因此探測中微子顯得較為困難。盡管如此，科學家們還是探測到中微子的存在，在1987年2月份，探測到來自大麥哲倫星云方向的二十個中微子，如果銀河系中發生超新星爆發事件，根據目前地球上的中微子探測器的監測能力可以探測到大約10000個中微子。

位于北美的激光干涉引力波探測器
加州理工學院和麻省理工學院的科學家們在國家自然科學基金支持下，在華盛頓州漢福德和路易斯安那州列文斯頓建立了激光干涉引力波天文臺（LIGO），克里斯蒂安·奧特的研究團隊從最新的模擬研究數據中探索中微子與引力波之間的相關性。在此前的研究模擬中，科學家們主要將精力聚焦在引力波信號上的探索上，并不包括在原中子星形成后中微子在此機制中產生的影響。
因此，研究人員想通過本項模擬了解中微子與引力波在原中子星形成時所起的作用。克里斯蒂安·奧特認為：“這對我們來說是個大驚喜，我們并不認為引力波信號會出現明顯的改變。中微子信號與引力波震蕩信號存在相關性將是一個新的大發現。”

科學家在地中海深處打造“心宿二”中微子探測器
科學家認為當原中子星的旋轉速度達到較高的閾值時，中微子與引力波的相關性則體現更加明顯，比如旋轉速度達到每秒400轉。在未來的模擬研究中，研究人員將通過更精細的方式研究原中子星的旋轉速率，在高速旋轉的條件下探索中微子信號與引力波信號之間的關系。加州理工學院本科生漢娜·科里昂（Hannah Klion）將作為暑期大學生研究獎學金學生加入到克里斯蒂安·奧特的研究小組中進行這方面的探索研究。
目前，加州理工學院的科學家們正在等待下一次銀河系中的超新星爆發事件，可從中發現恒星內核區域坍縮時所發生的情況。其論文的題目為：《廣義相對論框架下大質量恒星鐵核心坍縮事件中的引力波與中微子相關性研究》。
【計算機模擬恒星死亡發射強大中微子與引力波】
騰訊科技訊（Everett/編譯）