32年前的中微子超光速事件,沒有顛覆相對論,卻完善了超新星模型

薛定諤的科學 發佈 2019-11-26T12:40:29+00:00

「開掛」的天體在宇宙中,有許許多多「開掛」的天體,其中有一顆脈衝星編號為:SN 1987 A,或者P S R 0535-69。它位於大麥哲倫星系,距離地球大概168,000光年。SN 1987 A自轉一個周期才0.5毫秒,一秒鐘要自轉2000圈,這啥概念?

「開掛」的天體

在宇宙中,有許許多多「開掛」的天體,其中有一顆脈衝星編號為:SN 1987 A,或者P S R 0535-69。它位於大麥哲倫星系,距離地球大概168,000光年。

SN 1987 A自轉一個周期才0.5毫秒,一秒鐘要自轉2000圈,這啥概念?

我們可以做個類比,地球自轉一周大概是24小時,換算一下,就是8.64*10^7毫秒,比SN 1987A整整大了8個 數量級。相當於SN 1987 A轉1.7億圈,地球才轉一圈。

如果我們把SN 1987 A按照半徑10^3米來處理,那這顆脈衝星赤道在自轉時的線速度就可以達到1.2*10^8 m/s,光速是3*10^8 m/s,也就是說,整個線速度已經非常接近光速了。如果有人可以活在站在SN 1987 A的赤道上,不考慮引力作用,那感覺一定很刺激。

所以,SN 1987 A可以是說目前我們觀測到的天體中極為「奇葩」的存在。不過,奇葩歸奇葩,SN 1987 A在天文學界可是鼎鼎大名,這不是因為「奇葩」,而是因為它引發了天文學領域的研究革命。那究竟是咋回事呢?

特大質量恆星

這要從1987年2月23晚說起,這個夜晚也是載入史冊的一個夜晚。在這個夜晚,日本神岡中微子探測器接收到了12個高能中微子散射電子的事例,這意味著在當時有大概1億億個中微子穿過了這台探測器,而探測器記錄下來了12個,這是極為反常的現象。可以說,從中微子的角度來看,地球已經被它打成了篩子,但由於中微子不參與到電磁相互作用,所以我們感受到它穿過了地球。

不僅神岡中微子探測器接收到了高能中微子,美國、義大利、蘇聯的中微子探測器也都接收到了。而在神岡中微子探測器發現中微子之後的3個小時,科學家伊恩·謝爾頓和奧斯卡·杜阿爾德利用智利拉斯坎帕納斯天文台的望遠鏡,對準了大麥哲倫雲進行拍照。

他們共同發現了一次超新星爆發,也就是SN 1987 A。同一時間,也有其他的科學家發現了這次超新星爆炸。

可能你要問了,這起超新星爆炸有什麼特殊的呢?

其實,它真的很特殊。細心的朋友可能會發現一個問題,那就是中微子達到地球的時間,竟然比光還快了三小時。我們都知道,愛因斯坦的狹義相對論是建立在「光速不變原理」之上的,而通過光速不變原理,我們可以得到信息、物質、能量的速度極限是光速。因此,中微子比光還要快,就違背了愛因斯坦的相對論。難道愛因斯坦真的錯了麼?

其實並沒有,之所以說這次的超新星爆炸可以載入史冊,就是因為它幫助科學家完成了「核塌縮超新星模型」。那為什麼沒有違背相對論?「核塌縮超新星模型」又是什麼?

核塌縮超新星

這就需要提到恆星的演化。我們每天夜晚都能看到天空中一閃一閃的星星。這些星星一部分是恆星,一部分是星系,只有極少數的是太陽內的行星。

之所以會有星光,其實是因為恆星內核會發生核聚變反應。就拿太陽來說,太陽內核就正在發生氫核聚變。具體來說就是,氫原子核轉化成氦原子核的過程。

之所以太陽可以引發核聚變反應,這是因為太陽質量巨大,引力會使得太陽內核溫度急劇升高,物質呈現等離子態。這種狀態下,原子結構都無法完整地保留。電子脫離原子核的束縛,因此,太陽內核就像是一鍋粒子粥,電子、原子核等粒子在其中自由地移動。

所以,原子核和原子核之間就有一定的概率發生核聚變反應。一般恆星中含量最高的就是氫原子核,因此,首先引發的是氫原子核的核聚變反應。當然氫原子核燃燒得差不多時,如果質量足夠大,恆星會就會發生一次「換擋」,開始燃燒氦原子核,生成碳原子核和氧原子核。同樣地,只要質量足夠大,當碳原子核燒得差不多時,還可以繼續沿著元素周期表從低往高地進行核聚變反應,一直到生成鐵。

鐵原子核是最穩定的原子核,想要讓鐵原子核發生核聚變是相當困難的。不過,有一類特大質量的恆星,它們的質量大概是9倍以上的太陽質量。在演化過程中,會形成一個類似於巨型洋蔥頭的狀態。被稱為巨型洋蔥頭的原因是這類恆星就像洋蔥一樣,一層層地發生著不同的恆聚變反應。

由於它們的質量極其大,因此,這類恆星的引力巨大,引力會使得恆星的內核快速坍縮,光子會被壓入到鐵原子核內部,直接擊碎鐵原子核,這時就會釋放出質子和中子,質子和自由的電子發生反應就會生成中子和中微子

由於中微子的穿透力極強,中微子從核心逃逸出來,飛向廣闊的宇宙。又因為質量又很小很小,我們連測量它的質量都極為困難。因此,根據狹義相對論,我們可以知道,中微子的傳播速度是極其快的,接近於光速。

中微子從核心逃逸的過程中會帶走了大量的能量,這會加速核心的坍縮,使得恆星的核心和外殼分離開。此時,就會有一部分的中微子被外層吸收,從而引發超新星爆炸。

所以,在超新星爆炸開始之前,已經有很多中微子朝著地球飛來,這也是為什麼我們會先接收到中微子的原因,因此,光速不變原理並沒有什麼問題

我們繼續說回到恆星,就在中微子被產生後不久,大部分的質子都與自由電子反應生成了中子。此時,在引力的作用下,中子被束縛在了一起,由於中子是一種費米子,它需要遵循泡利不相容原理的。因此,中子可以產生一種量子效應,我們稱之為:中子簡併壓。

這種量子效應會產生一種向外對抗引力的作用,於是,恆星的內核就會處於一種平衡態。於是,一顆新鮮出爐的中子星就此誕生了,也就是上文中提到的SN 1987 A

可以說,1987年2月23號夜晚的發現,使得天文學家完善了這類中子星的形成機理,確認了超新星爆炸之後可以形成中子星。如今我們依然可以觀測到那一次超新星爆炸之後的殘骸。

同時,通過中微子探測SN 1987 A,也正式拉開了中微子天文學的序幕。如今,中微子天文學已經成為了天文學研究的最前沿。因此,1987年2月23號是一個足以被載入天文學史冊的日子。

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