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中微子在超新星爆炸中的作用的确凿证据

2021-07-28 16:30          X射线中微子

图 1:仙后座 A 超新星残骸具有富含铁的羽状物,其中含有钛和铬(右侧带有黄色粗轮廓的区域)。这一观察结果为中微子帮助驱动超新星爆炸的模型提供了支持。© 021 NASA/CXC/RIKEN/T。佐藤等人;NuSTAR:NASA/NuSTAR

1980 年代首次提出的超新星爆炸模型得到了 RIKEN 天体物理学家对此类爆炸残余物产生的富钛羽流的观察的有力支持。

一些超新星爆炸是恒星的死亡阵痛,这些恒星的质量至少是太阳的八倍。它们是宇宙中最具灾难性的事件之一,在几秒钟内释放出的能量与太阳在 100 亿年中产生的能量一样多。

相比之下,中微子是基本粒子动物园中最空灵的成员之一——它们至少比电子轻 500 万倍,并且每秒钟约有 10 千万个中微子飞过你的身体而不与它相互作用。

很难想象超新星和中微子之间可能存在任何联系,但是 1980 年代提出的一个模型提出,如果没有中微子提供的热量,超新星就不会发生。

这种类型的超新星开始于一颗大质量恒星的核心坍缩成一颗中子星——一颗直径约 20 公里的密度非常高的恒星。恒星的其余部分在重力作用下坍缩,撞击中子星,并从中子星反弹,产生冲击波。

然而,许多超新星模型预测,这种冲击波会在它摆脱恒星引力之前消失。将中子星喷出的中微子产生的热量考虑在内,可以提供维持冲击波所需的能量,从而提供超新星爆炸所需的能量。

现在,RIKEN 天体物理大爆炸实验室的 Shigehiro Nagataki、研究时在 RIKEN Nishina 加速器科学中心的 Toshiki Sato 和同事通过检测钛和铬发现了支持该模型的有力证据在超新星遗迹的富含铁的羽状物中。

中微子驱动的超新星模型预测,被捕获的中微子将产生高熵物质羽流,导致富含钛和铬等金属的超新星遗迹中出现气泡。这正是 Nagataki 和他的团队根据来自仙后座 A 上的钱德拉 X 射线天文台的观测数据(图 1)的光谱分析所看到的,仙后座 A 是大约 350 年前的超新星遗迹。因此,这一观察结果有力地证实了中微子在推动超新星爆炸中发挥作用。

“我们测量的化学成分强烈表明,这些材料是由来自中子星表面的中微子驱动的风驱动的,”Nagataki 说。“因此,我们发现的气泡已从超新星的中心传送到超新星遗迹的外缘。”

Nagataki 的团队现在打算使用超级计算机进行数值模拟,以更详细地模拟该过程。“我们的发现为重新审视超新星爆炸理论提供了强大的推动力,”Nagataki 补充道。

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