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中微子性质或可决定超新星爆发元素产物  

2012-09-10 09:07:09|  分类: 探索科学类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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中微子性质或可决定超新星爆发元素产物 - 疆域网狼 - 疆域网狼的博客

       研究显示,超新星爆发过程中经由散射形成的“中微子晕”能够直接对超新星的元素产物造成影响

  北京时间9月8日消息,据国外媒体报道,当美国著名天文学家卡尔·萨根说出:“我们是由星尘组成”这样一句话时,他并没有在开玩笑:如果没有恒星内部的极端环境以及剧烈的超新星爆发事件,宇宙中便不可能形成比锂更重的元素。

  对于超新星爆发来说,当一颗大质量恒星耗尽其核心燃料,在强大的引力作用下便会发生塌缩并形成猛烈爆炸。在这一爆发过程中会合成更重的元素,这些元素最后会成为构成行星,下一代恒星,以及最终组成我们身体的所有有机物质。但是哪些元素会在这样的爆炸中形成?而在大质量恒星的塌缩和爆发过程中中微子又起到了什么样的作用?对于这一问题,美国加州大学圣迭戈分校的研究生约翰·切里(John Cherry)认为自己或许已经找到了答案,有关研究的论文已经发表在了《物理评论快报》上。

  超新星爆发的一种典型类型是核区塌缩——当一颗大质量恒星耗尽内部燃料,并因此再也无法抵挡自身强大引力时便会发生。当恒星的核区燃料逐渐耗尽时,其核区的核聚变速率逐渐下降,引力开始占据上风,随后核区迅速塌缩崩溃。

  在这一过程中可以快速形成一颗密度惊人的中子星,它坚硬无比,所有高速向核心下落的塌缩物质突然间猛烈地撞击到出现的中子星表面,造成剧烈反弹,终于形成猛烈的爆发。此时中微子大量向外逃逸,穿过不断收缩的恒星体。

  中微子是一种神秘的粒子,它可以毫无阻挡地穿过空间。它们和其它物质之间的相互作用非常微弱,因此事实上中微子可以毫无阻碍地穿过整个地球而完全不受影响。事实上,当你正盯着屏幕阅读这篇文章时,每秒钟正有来自太阳和其它来源的数以十亿计的中微子正穿过你的身体。当然科学家们也找到了一些效率不太高的办法,来对中微子进行探测。比如他们建造巨大的水池,在其中灌满纯净水,当中微子通过这一大型水池时偶尔可能会和水分子发生碰撞并产生闪光,科学家们通过布置在水池周围的高性能探测器来捕捉这些闪光,从而探知中微子的存在。但是由于这种撞击闪光发生的概率非常低,因此为了从概率上确保探测器能够获得足够的数据,这样的水池探测器的规模必须做的尽可能的大。

  在发生核区塌缩的超新星案例中,这里的物质被压缩成中子态。根据计算结果,如此密度下的物质将会和大量向外涌出的中微子发生相互作用,并造成其中一部分中微子发生散射。

  然而这些被散射的中微子被科学家们认为只是极小的一部分,因此在一般的模拟过程中这一部分的中微子都是被忽略的。而此次切里的计算则对这种做法提出了质疑,根据他的模型,这里需要用到高达14%的修正因子。而在爆发中的超新星最外层,这一修正因子更是这一数字的10倍。如此数量的散射中微子会形成一种晕状结构,并和内部涌出的中微子发生相互作用,这样的作用发生的频率要远高于之前理论的预测。

  然而即便如此,仍然很难让人将这两者联系起来:中微子是一种和其它物质的相互作用非常微弱的轻质粒子,而超新星则是极端强大的,足以塑造星系的力量,这两者之间究竟通过何种方式实现相互之间的影响呢?

  事实上,这种中微子晕结构可以直接对超新星的本质产生影响,具体的说就是,它可以改变在超新星爆发过程中产生元素的种类。所有这些最终都归结于中微子的“味”。

  关于中微子的一项奇特性质便是它们具有3种不同的“味”,分别被称为电中微子、μ中微子和τ中微子。这种“味”的差别对于一家冰激凌店来说可能毫不在意,但是对于中微子而言,它们不同的“味”起着非常关键的作用。除此之外还有一点,那就是中微子可以改变它们的“味”。

  当中微子在空间传输时,它们会自然的在振荡中改变自身的“味”。然而在超新星爆发的情境下,随着外泄的中微子与被散射的中微子晕发生相互作用,这种“味”的变化不再自然,而是受到了控制。加州大学圣迭戈分校物理学教授,该项研究合著者乔治·富勒(George Fuller)指出:“即便仅有少量中微子发生散射,它们却仍然足以绝对控制中微子‘味’的变化。”

  切里表示:“中微子的变化完全决定了超新星爆发时将会发生的事。”当超新星在爆发中产生新元素时,不同“味”的中微子对所产生物质发生作用,将极大地影响最终形成的元素产物。他说:“这种中微子‘味’的改变可以让原子核中的质子变成中子或者将中子变成质子。如此一来,最终形成了何种物质,何种原子,超新星爆发时产生何种元素都将发生极大的变化,只要你改变中微子的‘味’就行。”

  如此一来,原先由于看似微不足道而被科学家们忽略的一个中微子因素却突然之间成了举足轻重的要素,甚至会对超新星爆发过程中所产生元素的种类以及星系内部物质的性质产生显著的影响。中微子虽然看似微不足道,但它们的影响力惊人。

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