当恒星到达生命周期的尽头时,它们会以超新星的形式脱落外层。留下的是一颗中子星,这是一颗密度极高的恒星残骸,尽管它相对较小且温度较低。当这种情况发生在双星系统中时,产生的中子星最终会向内旋转并碰撞。当它们最终合并时,这个过程会触发引力波的释放,并可能导致黑洞的形成。但是,当中子星开始合并时,一直到量子水平,会发生什么,这是科学家们渴望了解更多的事情。

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当恒星开始合并时,会产生非常高的温度,产生“热中微子”,这些中微子与合并恒星的冷核保持不平衡。通常,这些微小的无质量粒子只通过弱核力和可能的重力与正常物质相互作用。然而,根据宾夕法尼亚州立大学(PSU)物理学家领导的新模拟,这些中微子在这段时间内可以与正常物质弱相互作用。这些发现可能会让我们对这些强大的事件有新的认识。

佩德罗·路易斯·埃斯皮诺是宾夕法尼亚州立大学和加州大学伯克利分校的博士后研究员,他领导了这项研究。与他合作的还有来自PSU、耶拿弗里德里希·席勒大学理论物理研究所、特伦特大学和特伦托基础物理与应用研究所(INFN-TIFPA)的天体物理学家。最近发表在《物理评论快报》上的一篇论文描述了他们的模拟,题为“双中子星合并残留物中的中微子捕获和不平衡效应”。

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引力波(GW)最初由爱因斯坦的广义相对论预测,本质上是由恒星坍缩或致密物体(如中子星和黑洞)合并引起的时空涟漪。中子星之所以如此命名,是因为它们惊人的密度将质子和电子融合在一起,创造出几乎完全由中子组成的恒星残骸。多年来,天文学家一直在研究GW事件,以了解更多关于双星伴星的信息,以及它们合并时发生的事情。宾夕法尼亚州立大学和加州大学伯克利分校的博士后研究员佩德罗·路易斯·埃斯皮诺在宾夕法尼亚州立大学的新闻发布会上解释说:

“2017年,我们第一次在地球上观察到来自双中子星合并的各种信号,包括引力波。这引起了人们对双中子星天体物理学的极大兴趣。没有办法在实验室里重现这些事件来实验研究它们,所以我们了解双中子星合并过程中发生的事情的最佳窗口,是通过基于爱因斯坦广义相对论的数学模拟。”

虽然中子星实际上是冷的,但它们在合并过程中会变得非常热,尤其是在界面(两颗恒星接触的地方)。在这个区域,温度可以达到数万亿开尔文,但恒星的密度阻止了光子逸出以散发热量。宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院天文学和天体物理学助理教授、研究小组负责人之一大卫·拉迪斯(David Radice)表示,这些热量可能会被中微子消散,中微子是在中子被撞碎形成质子、电子和中微子的过程中产生的。

“合并恒星失去平衡的时间只有2到3毫秒,但就像温度一样,时间在这里是相对的,合并前两颗恒星的轨道周期可能只有1毫秒,”他说。“这个短暂的非平衡阶段是最有趣的物理现象发生的时候,一旦系统恢复平衡,物理学就会得到更好的理解。”

为了调查这个问题,研究小组创建了超级计算机模拟,模拟了双中子星的合并和相关物理。他们的模拟表明,即使是中微子也会被合并的热量和密度所困住,热中微子与仍然较冷的核心失去平衡,并且可以与恒星的物质相互作用。此外,他们的模拟表明,在合并过程中存在的物理条件会影响产生的GW信号。埃斯皮诺说:

“中微子如何与恒星的物质相互作用,并最终被发射出去,会影响两颗恒星合并后的残留物的振荡,这反过来又会影响合并后的电磁波和引力波信号到达地球时的样子。下一代引力波探测器可以被设计用来寻找这种信号差异。通过这种方式,这些模拟发挥了至关重要的作用,使我们能够深入了解这些极端事件,同时在一种反馈循环中为未来的实验和观察提供信息。”

对于引力波天文学和希望利用GW事件探测中子星内部的科学家来说,这无疑是个好消息。根据所产生的GW信号的类型来了解合并过程中存在的条件,也可以为超新星、伽马射线暴、快速射电暴和暗物质的本质提供新的见解。

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