计算机模拟恒星死亡发射强大中微子与引力波 _银河系

每个世纪，我们银河系中都会出现两次左右的超新星爆发事件，恒星在末年时期的死亡爆炸可向宇宙空间中释放大量的中微子流，这是一个不带电的基本粒子，并且使得周围时空产生涟漪，也就是神秘的引力波。科学家通过一个最新恒星演化模型模拟了一颗恒星末年在演化成中子星的路径上，内部区域发生坍缩的1.5毫秒时刻情景。

计算机生成的1987年超新星爆发3D图像
科学家们目前正在监控银河系中大约1000颗超新星，等待它们所释放的中微子和引力波传递到地球上，其坐落在银河系中距离我们非常遥远的宇宙空间中。在地球上，研究人员建立了大型、灵敏度极高的中微子和引力波探测器，寻找到这些信号有助于为科学家们提供大质量恒星在内部区域坍缩时刻所发生事件的信息。

科学家绘制大质量恒星内部坍缩时的中微子与引力波曲线
图中显示了快速旋转的大质量恒星内部坍缩崩溃时的数据模型，红色区域代表温度较高，而蓝色区域则相对较低，黑色箭头的方向暗示了恒星物质的的流动方向，两条黑色轮困的白色曲线表示的中微子（上端曲线）和引力波（下端曲线）的信号。
如果要读取关于恒星内部区域坍缩的信息，科学家们需要首先了解中微子探测器和引力波探测器收集到的信息。对此，加州理工学院的研究人员发现如果恒星在死亡爆炸前，其内部核心以较高的速度出现旋转，这个时候向外发射的中微子和引力波信号处于相同的震荡频率上。我们可以通过计算机模型将此类事件模拟出来。

黑洞碰撞等宇宙事件可产生引力波
根据加州理工学院理论天体物理学助理教授、本项研究论文的第一作者克里斯蒂安·奥特（Christian Ott）介绍：“我们对实验产生的相关性结果感到惊讶，在一个独立的引力波信号中，我们甚至可以在恒星内部探索区域获得相关的震荡信号。”但如果是对于快速自转的恒星，我们可以收集到关于中微子和引力波震荡事件发生的信息，同时也证明了这颗恒星内部坍缩区域存在较快的旋转速率。该论文已经发表在最新一期的《物理评论D》刊上
目前科学家们还不十分清楚一颗大质量恒星演化成超新星的所有详细信息，而它们至少在质量上是太阳的十倍。加州理工学院天文学家弗里茨·兹维基（Fritz Zwicky）和他的同事沃尔特·巴德（Walter Baade）在1934年首次发现当一颗恒星的燃料全部耗尽时，将支撑不起自身引力场的作用，开始向内发生引力坍缩，形成的天体就是我们发现的中子星。

引力波探测器绘制全天引力波分布图
我们现在还知道了一种宇宙间存在的神秘力量，其被称为强核力，在中子星内部，强核力将控制并导致冲击波的产生，进而撕裂恒星的内部核心。但是这些冲击波的能量还不足以完全使恒星发生彻底爆发，其存在的目的是启动部分破坏性的作用。因此，科学家们希望寻找到其他可支持恒星最后爆发的机制，即“超新星爆发机制”，在该机制的主导下将恒星彻底摧毁。当前的理论表明，中微子在其中扮演了重要作用，可以使超新星爆发机制重新激活。
原中子星是即将发生超新星爆炸时空的恒星内核，是核坍缩模型中先出现的演化步骤，原中子星可以足够快的速度旋转，如同一个发电机不断产生磁场，将恒星内部区域的物质向外迁移，通过两个极区从而形成喷流，因此该机制可以使得撕裂恒星内部的冲击波复苏，并引发爆炸。

美国宇航局与欧洲空间局打造的激光干涉空间天线
加州理工学院理论天体物理学助理教授克里斯蒂安·奥特的研究团队认为恒星内部区域的坍缩模型也可能是其他效应的组合作用，目前已经建立了一种方法来确定恒星核心的旋转是否在形成超新星进程中扮演重要作用。仅从空间望远镜的观测结果中我们只能了解恒星外围发生的事件，并不能收集到内部信息。
另一方面，从恒星内部区域向外释放的中微子和引力波几乎与其他粒子发生相互作用和影响，最终以光速穿过宇宙空间。这意味这中微子和引力波携带了关于恒星内部的信息。中微子可穿过宇宙空间，与其他物质发生相互作用的较弱，因此探测中微子显得较为困难。尽管如此，科学家们还是探测到中微子的存在，在1987年2月份，探测到来自大麦哲伦星云方向的二十个中微子，如果银河系中发生超新星爆发事件，根据目前地球上的中微子探测器的监测能力可以探测到大约10000个中微子。

位于北美的激光干涉引力波探测器
加州理工学院和麻省理工学院的科学家们在国家自然科学基金支持下，在华盛顿州汉福德和路易斯安那州列文斯顿建立了激光干涉引力波天文台（LIGO），克里斯蒂安·奥特的研究团队从最新的模拟研究数据中探索中微子与引力波之间的相关性。在此前的研究模拟中，科学家们主要将精力聚焦在引力波信号上的探索上，并不包括在原中子星形成后中微子在此机制中产生的影响。
因此，研究人员想通过本项模拟了解中微子与引力波在原中子星形成时所起的作用。克里斯蒂安·奥特认为：“这对我们来说是个大惊喜，我们并不认为引力波信号会出现明显的改变。中微子信号与引力波震荡信号存在相关性将是一个新的大发现。”

科学家在地中海深处打造“心宿二”中微子探测器
科学家认为当原中子星的旋转速度达到较高的阈值时，中微子与引力波的相关性则体现更加明显，比如旋转速度达到每秒400转。在未来的模拟研究中，研究人员将通过更精细的方式研究原中子星的旋转速率，在高速旋转的条件下探索中微子信号与引力波信号之间的关系。加州理工学院本科生汉娜·科里昂（Hannah Klion）将作为暑期大学生研究奖学金学生加入到克里斯蒂安·奥特的研究小组中进行这方面的探索研究。
目前，加州理工学院的科学家们正在等待下一次银河系中的超新星爆发事件，可从中发现恒星内核区域坍缩时所发生的情况。其论文的题目为：《广义相对论框架下大质量恒星铁核心坍缩事件中的引力波与中微子相关性研究》。
【计算机模拟恒星死亡发射强大中微子与引力波】
腾讯科技讯（Everett/编译）