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1987年2月23夜晚,地球被中微子打成筛子,却开启了天文学

11月23日 溷元楼投稿
  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PSR053569。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。64107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103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。2108ms,光速是3108ms,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、原子核等粒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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