同样是超新星释放出中微子和光子,为何中微子比光速还快3小时?

钟铭聊科学  2019-11-26A+ 加大字号

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“开挂”的天体

在宇宙中,有许许多多“开挂”的天体,其中有一颗脉冲星编号为:SN1987A,或者PSR0535-69。它位于大麦哲伦星系,距离地球大概168,000光年。

SN1987A自转一个周期才0.5毫秒,一秒钟要自转2000圈,这啥概念?

我们可以做个类比,地球自转一周大概是24小时,换算一下,就是8.64*10^7毫秒,比SN1987A整整大了8个 数量级。相当于SN1987A转1.7亿圈,地球才转一圈。

如果我们把SN1987A按照半径10^3米来处理,那这颗脉冲星赤道在自转时的线速度就可以达到1.2*10^8m/s,光速是3*10^8m/s,也就是说,整个线速度已经非常接近光速了。如果有人可以活在站在SN1987A的赤道上,不考虑引力作用,那感觉一定很刺激。

所以,SN1987A可以是说目前我们观测到的天体中极为“奇葩”的存在。不过,奇葩归奇葩,SN1987A在天文学界可是鼎鼎大名,这不是因为“奇葩”,而是因为它引发了天文学领域的研究革命。那究竟是咋回事呢?

特大质量恒星

这要从1987年2月23晚说起,这个夜晚也是载入史册的一个夜晚。在这个夜晚,日本神冈中微子探测器接收到了12个高能中微子散射电子的事例,这意味着在当时有大概1亿亿个中微子穿过了这台探测器,而探测器记录下来了12个,这是极为反常的现象。可以说,从中微子的角度来看,地球已经被它打成了筛子,但由于中微子不参与到电磁相互作用,所以我们感受到它穿过了地球。

不仅神冈中微子探测器接收到了高能中微子,美国、意大利、苏联的中微子探测器也都接收到了。而在神冈中微子探测器发现中微子之后的3个小时,科学家伊恩·谢尔顿和奥斯卡·杜阿尔德利用智利拉斯坎帕纳斯天文台的望远镜,对准了大麦哲伦云进行拍照。

他们共同发现了一次超新星爆发,也就是SN1987A。同一时间,也有其他的科学家发现了这次超新星爆炸。

可能你要问了,这起超新星爆炸有什么特殊的呢?

其实,它真的很特殊。细心的朋友可能会发现一个问题,那就是中微子达到地球的时间,竟然比光还快了三小时。我们都知道,爱因斯坦的狭义相对论是建立在“光速不变原理”之上的,而通过光速不变原理,我们可以得到信息、物质、能量的速度极限是光速。因此,中微子比光还要快,就违背了爱因斯坦的相对论。难道爱因斯坦真的错了么?

其实并没有,之所以说这次的超新星爆炸可以载入史册,就是因为它帮助科学家完成了“核塌缩超新星模型”。那为什么没有违背相对论?“核塌缩超新星模型”又是什么?

核塌缩超新星

这就需要提到恒星的演化。我们每天夜晚都能看到天空中一闪一闪的星星。这些星星一部分是恒星,一部分是星系,只有极少数的是太阳内的行星。

之所以会有星光,其实是因为恒星内核会发生核聚变反应。就拿太阳来说,太阳内核就正在发生氢核聚变。具体来说就是,氢原子核转化成氦原子核的过程。

之所以太阳可以引发核聚变反应,这是因为太阳质量巨大,引力会使得太阳内核温度急剧升高,物质呈现等离子态。这种状态下,原子结构都无法完整地保留。电子脱离原子核的束缚,因此,太阳内核就像是一锅粒子粥,电子、原子核等离子在其中自由地移动。

所以,原子核和原子核之间就有一定的概率发生核聚变反应。一般恒星中含量最高的就是氢原子核,因此,首先引发的是氢原子核的核聚变反应。当然氢原子核燃烧得差不多时,如果质量足够大,恒星会就会发生一次“换挡”,开始燃烧氦原子核,生成碳原子核和氧原子核。同样地,只要质量足够大,当碳原子核烧得差不多时,还可以继续沿着元素周期表从低往高地进行核聚变反应,一直到生成铁。

铁原子核是最稳定的原子核,想要让铁原子核发生核聚变是相当困难的。不过,有一类特大质量的恒星,它们的质量大概是9倍以上的太阳质量。在演化过程中,会形成一个类似于巨型洋葱头的状态。被称为巨型洋葱头的原因是这类恒星就像洋葱一样,一层层地发生着不同的恒聚变反应。

由于它们的质量极其大,因此,这类恒星的引力巨大,引力会使得恒星的内核快速坍缩,光子会被压入到铁原子核内部,直接击碎铁原子核,这时就会释放出质子和中子,质子和自由的电子发生反应就会生成中子和中微子。

由于中微子的穿透力极强,中微子从核心逃逸出来,飞向广阔的宇宙。又因为质量又很小很小,我们连测量它的质量都极为困难。因此,根据狭义相对论,我们可以知道,中微子的传播速度是极其快的,接近于光速。

中微子从核心逃逸的过程中会带走了大量的能量,这会加速核心的坍缩,使得恒星的核心和外壳分离开。此时,就会有一部分的中微子被外层吸收,从而引发超新星爆炸。

所以,在超新星爆炸开始之前,已经有很多中微子朝着地球飞来,这也是为什么我们会先接收到中微子的原因,因此,光速不变原理并没有什么问题。

我们继续说回到恒星,就在中微子被产生后不久,大部分的质子都与自由电子反应生成了中子。此时,在引力的作用下,中子被束缚在了一起,由于中子是一种费米子,它需要遵循泡利不相容原理的。因此,中子可以产生一种量子效应,我们称之为:中子简并压。

这种量子效应会产生一种向外对抗引力的作用,于是,恒星的内核就会处于一种平衡态。于是,一颗新鲜出炉的中子星就此诞生了,也就是上文中提到的SN1987A。

可以说,1987年2月23号夜晚的发现,使得天文学家完善了这类中子星的形成机理,确认了超新星爆炸之后可以形成中子星。如今我们依然可以观测到那一次超新星爆炸之后的残骸。

同时,通过中微子探测SN1987A,也正式拉开了中微子天文学的序幕。如今,中微子天文学已经成为了天文学研究的最前沿。因此,1987年2月23号是一个足以被载入天文学史册的日子。

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