超新星爆发的作用?

王朝干货·作者佚名  2011-11-26
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超新星爆发中在光信号产生的同时会有大量中微子产生,被中微子带走的能量占99%。

中微子在宇宙形成和演化过程中扮演着关键角色。

宇宙大爆炸中形成的中微子充斥着整个宇宙,平均每立方厘米有三百多个。近年来天文观察结果表明,中微子在宇宙物质总量占的比例大于通常的重子物质的比例,足见中微子在物质世界中的地位。一些理论认为:中微子混合中的CP效应极有可能解释宇宙中物质与反物质的不对称。

中微子物理研究领域的几次重大突破都获得了诺贝尔物理学奖。近年来中微子物理实验取得了重大突破,发现了中微子有质量,不同的中微子之间有振荡,即由一种中微子转换为另一种中微子,物理学称之为中微子混合。这些成果被授予了2002年诺贝尔物理学奖。中微子物理近年来持续升温,成为粒子物理、天体物理与宇宙学研究共同的国际前沿。

在粒子物理的标准模型中,中微子是没有质量的,而且只存在左旋中微子。中微子有质量的发现在数十年中第一次突破了标准模型的框架,打开了寻找新物理的窗口,其意义是非常重大的。研究中微子的CP破坏与宇宙的起源与演化息息相关。中微子物理的发展还提供了一种新的天文观测,可以通过它直接了解星球内部的信息,通过超新星爆发直接了解黑洞或中子星的形成过程。中微子也提供了一种新的地质观测手段,可以通过中微子振荡的物质效应研究地球的构造。由于中微子的相互作用非常弱,而且中微子振荡对质量微小变化的敏感,最近有人提出利用中微子振荡研究暗能量,并认为暗能量对中微子质量的影响具有可观测效应。

中微子物理研究对粒子物理的发展意义是巨大的。由于中微子有质量第一次突破了标准模型,怎样修改标准模型,中微子质量的来源及特性都有待解决。中微子微小的质量使得基本粒子的质量体系问题变得突出起来,究竟是什么机制使得同为最基本单元的中微子与顶夸克之间能量相差了十二个量级?中微子混合与夸克混合看上去很不一样,它们之间有没有内在的联系?存不存在第四种或更多种的中微子?这些问题的解决也许会带来全新的新子物理理论。为了解决这些问题,必须对中微子进行更深入的研究。

中微子物理的实验研究已经取得了巨大的成就,中微子振荡的发现第一次突破了现有粒子物理学的新篇章。中微子在宇宙形成和演化过程中扮演着关键角色,中微子物理已经成为粒子物理,天体物理与宇宙学研究共同的国际前沿。在寻找新物理,探索宇宙起源,以及用新的观测手段研究天体演化与地球物理等方面有更多重要的工作要做。中国应该抓住发展机遇,及早进行部署。

利用反应堆中微子实验将Sin2213的测量精度提高到0.01在理论上和实验上都具有极为重要的意义,是当前国际粒子物理实验的热点,国际竞争非常激烈。大亚湾反应堆提供了得天独厚的实验条件,大亚湾反应堆中微子实验投入相对较少而物理意义重大,有可能获得重大创新成果,是中国基础科学研究一个难得的重大发展机遇。

很复杂

很恐怖

在大质量恒星演化到晚期时,内部不能产生新的能量,巨大的引力使整个星体迅速向中心坍缩,将中心物质都压成中子状态,形成中子星。而外层下坍的物质遇到这坚硬的“中子核”反弹引起爆炸,这就是超新星爆发。

当引力大得无任何其他排斥力可与之对抗时,恒星被压成一个孤立点,形成黑洞。超新星大多出现在河外星系中。

超新星爆发是最激烈的天象,其遗迹是超新星爆发的产物。恒星经历红巨星、中子星阶段后,在生命的最后阶段有时会突然发生光度突然增加数亿倍的大爆炸。形成壮丽无比的超新星景观。超新星是最壮观的一类变星,是恒星所能经历的规模最大的灾难性爆发。估计抛出质量1~10太阳质量,释放能量1040~1045焦耳。留下的残核可能是中子星,也可能全部炸毁。超新星分为两个主要类型:

I 型超新星:其绝对目视星等为-14~-17等,有非氢谱,低质量,高速度(约10000千米/秒),可能由一个高度简并的核的热核爆炸产生。这类超新星在旋涡星系和椭圆星系中都有发现,属于星族Ⅱ。

Ⅱ型超新星:其绝对目视星等为-12~-13.5等,有氢谱,高质量,低速度(约 5000千米/秒),发生在旋臂边缘,属于星族I。

超新星是一种罕见天象,估计银河系中每隔25年到75年银河系出现一颗超新星。不过,由于银河系大部分被星际物质所遮蔽,所以观测到超新星的可能性很低,只能通过观测它们爆发后留下的遗迹加以研究。在已知的150余个超新星遗迹中,1054年超新星和船帆座超新星留下了光学上膨胀的星云状物质、射电展源、X射线展源和脉冲星4种遗迹,是最理想的超新星样品。在过去的两千年里,至少出现过七次超新星爆发,在中国历史文献中都能找到,而且最早的185年超新星和393年超新星,都只有中国的记载。1054年,中国人在金牛座天关星旁观察到一颗"客星";1572年,天文学家第谷在仙后座发现一颗超新星爆发;最近出现的是1604年开普勒在巨蛇座发现的一颗。在它们最亮时,甚至在白天也能看见。

一颗超新星的亮度有时会超过一个星系的亮度。当大爆炸最终结束后,恒星的碎片抛到宇宙空间,形成超新星遗迹。典型的超新星遗迹的直径至少一光年。

因为恒星的聚变反应要吸收能量,所以在一颗恒星内部通常没有比铁更重的元素。不过,我们在上面讨论过的超新星爆发却能提供合成比铁更重的元素所需要的能量。银河系里的那些最重的金属,就是以这种方式生成的。

超新星爆发的这种激烈程度的确令人难以置信。它在几天内所倾泻的能量就像恒星在主序期的几亿年里所辐射的那样多。它的光度会增大数十亿倍,因此在几天里这颗"新"星看上去就像一个星系那样明亮。

超新星吹出的气体不仅送来了丰富的重元素,而且对星系的演化起着非常重要的作用。今日地球上的重元素就是从那些早已消失的恒星的核里来的。

超新星的研究在恒星晚期演化研究中占有特殊地位,超新星集中表现了各种极端物理条件下的物态。它和元素合成、星际物质、高能天体物理的研究密切相关。

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