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天體物理學家發現太空中的完美爆炸

天體物理學家發現太空中的完美爆炸

2023-02-16 09:44

  /朝聞通/2023年02月16日廣州消息--當中子星碰撞時,它們會產生爆炸,與直到最近才被認為的相反,爆炸的形狀像一個完美的球體。雖然這如何可能仍然是個謎,但這一發現可能為基礎物理學和測量宇宙年齡提供一把新鑰匙。這一發現是由哥本哈根大學的天體物理學家發現的,並剛剛發表在《自然》雜誌上。

  千新星——當兩顆中子星相互繞轉並最終發生碰撞時發生的巨大爆炸——負責創造宇宙中大大小小的事物,從黑洞到你手指上金戒指中的原子,再到我們身體中的碘. 它們產生了宇宙中最極端的物理條件,正是在這些極端條件下,宇宙創造了元素周期表中最重的元素,例如金、鉑和鈾。

  但是,對於這種暴力現象,我們還有很多不了解的地方。2017 年在 1.4 億光年外發現千新星時,科學家們第一次能夠收集到詳細數據。世界各地的科學家仍在解讀這次巨大爆炸的數據,其中包括哥本哈根大學的阿爾伯特·斯內彭和達拉克·沃森,他們有了一個驚人的發現。

  他們對 2017 年千新星 AT2017gfo 的數據進行了分析。這些數據是來自歐洲南方天文臺超大望遠鏡 X-shooter 光譜儀的紫外線、光學和紅外光,並結合先前對引力波的分析、無線電波和來自哈勃太空望遠鏡的數據。

  「你有兩顆超緊湊​​的恒星,它們在坍縮前每秒繞彼此旋轉 100 次。我們的直覺和所有以前的模型都表明,碰撞產生的爆炸雲必須具有扁平且相當不對稱的形狀,」Albert Sneppen 說,博士 尼爾斯玻爾研究所的學生和該研究的第一作者發表在《自然》雜誌上。

  這就是為什麽他和他的研究同事驚訝地發現,2017 年的千新星完全不是這樣。它完全對稱,形狀接近完美球體。

  「沒有人預料到爆炸看起來像這樣。它是球形的,像一個球一樣沒有意義。但我們的計算清楚地表明它是。這可能意味著我們一直在考慮的千新星理論和模擬過去 25 年缺乏重要的物理學,」Niels Bohr 研究所副教授、該研究的第二作者 Darach Watson 說。

  球形是個謎

  但是千新星是如何變成球形的是一個真正的謎。根據研究人員的說法,一定有意想不到的物理現象在起作用:

  「使爆炸呈球形最可能的方法是,如果大量能量從爆炸中心噴出,並平滑出一個本來不對稱的形狀。所以球形告訴我們,可能有很多能量在碰撞的核心,這是不可預見的,」Albert Sneppen 說。

  當中子星發生碰撞時,它們會短暫地結合成一顆超大質量中子星,然後坍縮成一個黑洞。研究人員推測,是否正是在這次坍塌中隱藏了很大一部分秘密:

  「也許是在超大質量中子星坍縮成黑洞時釋放出巨大磁場能量的瞬間產生了一種『磁彈』。磁能的釋放可能導致爆炸中的物質更呈球形分布。在那種情況下,黑洞的誕生可能非常活躍,」Darach Watson 說。

  然而,這一理論並沒有解釋研究人員發現的另一個方面。根據以前的模型,雖然產生的所有元素都比鐵重,但極重的元素,如金或鈾,應該在千新星中與鍶或氪等較輕的元素不同的地方產生,它們應該被排出在不同的方向。另一方面,研究人員只檢測較輕的元素,它們在空間中均勻分布。

  因此,他們認為神秘的基本粒子——中微子——其中很多內容仍不為人知——也在這一現象中發揮著關鍵作用。

  「另一種想法是,在超大質量中子星存在的幾毫秒內,它會釋放出非常強大的能量,可能包括大量的中微子。中微子可以使中子轉化為質子和電子,從而總體上產生更輕的元素。這個想法也有缺點,但我們相信中微子發揮的作用比我們想象的還要重要,」Albert Sneppen 說。

  一個新的宇宙統治者

  爆炸的形狀也很有趣,原因完全不同:

  「在天體物理學家中,有很多關於宇宙膨脹速度的討論。速度告訴我們,除其他外,宇宙有多老。現有的兩種測量它的方法相差大約十億年。在這裏我們可能有第三種方法可以補充其他測量方法並對其進行測試,」Albert Sneppen 說。

  所謂的「宇宙距離階梯」就是今天用來測量宇宙增長速度的方法。這只需計算宇宙中不同物體之間的距離即可完成,這些物體充當梯子上的梯級。

  「如果它們是明亮的並且大部分是球形的,並且如果我們知道它們有多遠,我們就可以使用千新星作為獨立測量距離的新方法——一種新型的宇宙標尺,」Darach Watson 說並繼續說道:

  「知道形狀是什麽在這裏至關重要,因為如果你有一個不是球形的物體,它會發出不同的光,這取決於你的視角。球形爆炸提供更高的測量精度。」

  他強調,這需要來自更多千新星的數據。他們預計 LIGO 天文臺將在未來幾年探測到更多的千新星。

  關於千新星

  中子星是非常致密的恒星,主要由中子組成。它們通常只有大約 20 公裏寬,但重量是太陽的一倍半到兩倍。一茶匙中子星物質的重量相當於珠穆朗瑪峰的重量。

  當兩顆中子星相撞時,就會發生千新星現象。這是合並造成的巨大爆炸的名稱。它是一個以極快的速度膨脹的放射性火球,主要由在合並及其後果中形成的重元素組成——包括較輕的和非常重的元素——它們被噴射到太空中。

  該現象於 1974 年被預測,並於 2013 年首次被清楚地觀察和識別。2017 年,首次獲得千新星的詳細數據,當時 LIGO(美國)和 Virgo(歐洲)探測器轟動性地成功測量了引力來自 kilonova AT2017gfo 的波,它位於 1.4 億光年外的星系中

消息來源: 朝聞通新聞稿發布平臺
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