同樣是超新星釋放出中微子和光子,為何中微子比光速還快3小時?

2020-12-03 鍾銘聊科學

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

「開掛」的天體

在宇宙中,有許許多多「開掛」的天體,其中有一顆脈衝星編號為:SN1987A,或者PSR0535-69。它位於大麥哲倫星系,距離地球大概168,000光年。

SN1987A自轉一個周期才0.5毫秒,一秒鐘要自轉2000圈,這啥概念?

我們可以做個類比,地球自轉一周大概是24小時,換算一下,就是8.64*10^7毫秒,比SN1987A整整大了8個 數量級。相當於SN1987A轉1.7億圈,地球才轉一圈。

如果我們把SN1987A按照半徑10^3米來處理,那這顆脈衝星赤道在自轉時的線速度就可以達到1.2*10^8m/s,光速是3*10^8m/s,也就是說,整個線速度已經非常接近光速了。如果有人可以活在站在SN1987A的赤道上,不考慮引力作用,那感覺一定很刺激。

所以,SN1987A可以是說目前我們觀測到的天體中極為「奇葩」的存在。不過,奇葩歸奇葩,SN1987A在天文學界可是鼎鼎大名,這不是因為「奇葩」,而是因為它引發了天文學領域的研究革命。那究竟是咋回事呢?

特大質量恆星

這要從1987年2月23晚說起,這個夜晚也是載入史冊的一個夜晚。在這個夜晚,日本神岡中微子探測器接收到了12個高能中微子散射電子的事例,這意味著在當時有大概1億億個中微子穿過了這臺探測器,而探測器記錄下來了12個,這是極為反常的現象。可以說,從中微子的角度來看,地球已經被它打成了篩子,但由於中微子不參與到電磁相互作用,所以我們感受到它穿過了地球。

不僅神岡中微子探測器接收到了高能中微子,美國、義大利、蘇聯的中微子探測器也都接收到了。而在神岡中微子探測器發現中微子之後的3個小時,科學家伊恩·謝爾頓和奧斯卡·杜阿爾德利用智利拉斯坎帕納斯天文臺的望遠鏡,對準了大麥哲倫雲進行拍照。

他們共同發現了一次超新星爆發,也就是SN1987A。同一時間,也有其他的科學家發現了這次超新星爆炸。

可能你要問了,這起超新星爆炸有什麼特殊的呢?

其實,它真的很特殊。細心的朋友可能會發現一個問題,那就是中微子達到地球的時間,竟然比光還快了三小時。我們都知道,愛因斯坦的狹義相對論是建立在「光速不變原理」之上的,而通過光速不變原理,我們可以得到信息、物質、能量的速度極限是光速。因此,中微子比光還要快,就違背了愛因斯坦的相對論。難道愛因斯坦真的錯了麼?

其實並沒有,之所以說這次的超新星爆炸可以載入史冊,就是因為它幫助科學家完成了「核塌縮超新星模型」。那為什麼沒有違背相對論?「核塌縮超新星模型」又是什麼?

核塌縮超新星

這就需要提到恆星的演化。我們每天夜晚都能看到天空中一閃一閃的星星。這些星星一部分是恆星,一部分是星系,只有極少數的是太陽內的行星。

之所以會有星光,其實是因為恆星內核會發生核聚變反應。就拿太陽來說,太陽內核就正在發生氫核聚變。具體來說就是,氫原子核轉化成氦原子核的過程。

之所以太陽可以引發核聚變反應,這是因為太陽質量巨大,引力會使得太陽內核溫度急劇升高,物質呈現等離子態。這種狀態下,原子結構都無法完整地保留。電子脫離原子核的束縛,因此,太陽內核就像是一鍋粒子粥,電子、原子核等離子在其中自由地移動。

所以,原子核和原子核之間就有一定的概率發生核聚變反應。一般恆星中含量最高的就是氫原子核,因此,首先引發的是氫原子核的核聚變反應。當然氫原子核燃燒得差不多時,如果質量足夠大,恆星會就會發生一次「換擋」,開始燃燒氦原子核,生成碳原子核和氧原子核。同樣地,只要質量足夠大,當碳原子核燒得差不多時,還可以繼續沿著元素周期表從低往高地進行核聚變反應,一直到生成鐵。

鐵原子核是最穩定的原子核,想要讓鐵原子核發生核聚變是相當困難的。不過,有一類特大質量的恆星,它們的質量大概是9倍以上的太陽質量。在演化過程中,會形成一個類似於巨型洋蔥頭的狀態。被稱為巨型洋蔥頭的原因是這類恆星就像洋蔥一樣,一層層地發生著不同的恆聚變反應。

由於它們的質量極其大,因此,這類恆星的引力巨大,引力會使得恆星的內核快速坍縮,光子會被壓入到鐵原子核內部,直接擊碎鐵原子核,這時就會釋放出質子和中子,質子和自由的電子發生反應就會生成中子和中微子

由於中微子的穿透力極強,中微子從核心逃逸出來,飛向廣闊的宇宙。又因為質量又很小很小,我們連測量它的質量都極為困難。因此,根據狹義相對論,我們可以知道,中微子的傳播速度是極其快的,接近於光速。

中微子從核心逃逸的過程中會帶走了大量的能量,這會加速核心的坍縮,使得恆星的核心和外殼分離開。此時,就會有一部分的中微子被外層吸收,從而引發超新星爆炸。

所以,在超新星爆炸開始之前,已經有很多中微子朝著地球飛來,這也是為什麼我們會先接收到中微子的原因,因此,光速不變原理並沒有什麼問題

我們繼續說回到恆星,就在中微子被產生後不久,大部分的質子都與自由電子反應生成了中子。此時,在引力的作用下,中子被束縛在了一起,由於中子是一種費米子,它需要遵循泡利不相容原理的。因此,中子可以產生一種量子效應,我們稱之為:中子簡併壓。

這種量子效應會產生一種向外對抗引力的作用,於是,恆星的內核就會處於一種平衡態。於是,一顆新鮮出爐的中子星就此誕生了,也就是上文中提到的SN1987A

可以說,1987年2月23號夜晚的發現,使得天文學家完善了這類中子星的形成機理,確認了超新星爆炸之後可以形成中子星。如今我們依然可以觀測到那一次超新星爆炸之後的殘骸。

同時,通過中微子探測SN1987A,也正式拉開了中微子天文學的序幕。如今,中微子天文學已經成為了天文學研究的最前沿。因此,1987年2月23號是一個足以被載入天文學史冊的日子。

相關焦點

  • 超新星爆炸釋放中微子和光子,為何中微子比光速快3小時到地球?
    但是就在大家歡呼雀躍的時候,愛因斯坦又給大家潑了一盆冷水,愛因斯坦表示,時間停止是不可能的,時光倒流更加不可能的,因為光速是宇宙中最快的速度,世界上沒有任何一種速度比光速還快,並且他還提出了一種理論證明光速不可達到和超越,這種理論就是著名的質能方程式E=mc^2(其中E代表能量;m代表質量;c代表光速),從這條公式我們可以看出,一個物體的速度(c)越快,質量(m)
  • 對光速的新修正可以解釋SN1987中微子的爆發
    當它們重新結合時,它們會產生一個能量會發生輕微轉移的光子,速度會比沒有引力勢時略慢。無法協調的分歧弗朗森仔細研究了這兩種解釋,解釋了為什麼光在穿過引力勢時會減速。他決定根據每種理論計算出光線應該減速多少,並期待著得到相同的答案。然而,他卻意外地發現:光速的預測變化並不一致,而且這種差異產生了一些非常奇怪的後果。
  • 中微子真的可以超過光速嗎?科學界的烏龍事件——奧佩拉實驗!
    奧佩拉實驗:研究人員把大量質子加速到接近光速,然後轟擊靶物質,產生了高能量的中微子束;然後中微子穿過厚厚的地下巖石,被距離732公裡外的義大利格蘭薩索國家實驗室檢測到,發現中微子速度比光速快了0.0025%;也就是在該實驗中,中微子比光子早到了60.7納秒(實驗誤差不超過10納秒),換成距離是20米。
  • 一口氣搞懂中微子
    中微子的提出這事要從科學家研究β衰變說起。,所謂的β衰變,就是指原子核內中子轉變為質子,同時釋放出一個電子和一個中微子(當然,當時還沒有發現中微子)的過程。在質子-質子反應中,每產生3個光子,就會有2個中微子產生。太陽中的中微子一旦產生,由於自身穿透力特別強,所以可以直接徑直發出太陽,而光子則需要跌跌撞撞,到底太陽表面平均要10多萬年的時間。而太陽產生的大量中微子中,就有一部分會以接近光速的速度徑直飛到地球上來的。
  • 比光速還快物體,每秒多跑六公裡,已被科學家實驗證實
    說起來,中微子的另一個名字叫做微中子,屬於輕子範疇,並且是自然界中最基本的粒子構成之一,而且中微子不帶電,並且質量也非常小,差不多是電子的百萬分子一左右,而且,與光子不同的是,當所有光打在物體上都被遮擋的時候,中微子卻可以輕易的穿越任何物體,並且還可以隨意的穿越宇宙中的星球,絲毫都不會受到外界的影響。
  • 中微子的速度非常接近光速,為何質量沒有趨於無窮大?
    1905年愛因斯坦給出狹義相對論後,人們才認識到物體的質量會隨速度的增大而增大,並且當速度趨近於光速時,物體的質量會趨於無窮大。狹義相對論的質量速度關係早已得到了無數次實驗的檢驗。同步回旋加速器、大型強子對撞機的建造就與狹義相對論有著密切的關係,粒子在加速器中被加速後質量、周期等都會跟著發生變化,加速粒子用到的電場也就需要按照相對論同步發生變化。
  • 中微子為什麼會被認為超光速?
    在一年多的時間裡,OPERA探測到大約16000個這樣的中微子,並且測量了這些中微子的一些特性,包括到達時間。當科學家查看數據時,他們的發現絕對令人震驚!根據這些中微子的能量和它們的傳播距離,科學家能夠精確地計算出這些中微子從歐洲核子研究中心產生的地方到到達OPERA探測器所需要的時間。其結果應該是與真空中光速基本上沒有區別!
  • 中微子的存在困擾科學家26年,能輕易穿透人體
    原子核在躍遷時釋放出來的輻射也是不連續的,這一切都被科學家視為鐵律。可就在科學家觀察β衰變時,發現釋放出來的射線是連續的。而且能量不守恆,不知為何,有一部分能量憑空消失了。光靠一個電子是帶不走這麼多的能量的,量子力學奠基人玻爾認為,β衰變打破了能量守恆定律,這是一個例外!泡利卻表達了反對意見,他說能量守恆定律絕不會出錯,應該是某種我們看不見的微觀粒子悄悄帶走了那部分能量!
  • 引力波、電磁波、光子、x射線、伽馬射線和中微子在本質相同嗎
    標題裡實際上有三種不同的東西:引力波、電磁波和中微子。至於光子、X射線、伽馬射線跟電磁波是同一樣東西,電磁波和光子是同一事物的兩個屬性,科學上稱為波粒二象性,它是電磁相互作用的傳播粒子光子的兩個屬性。而X射線和伽馬射線則是不同頻率的電磁波,也可以說是攜帶不同能量的光子。
  • 快過光速的中微子?其實是線沒接好
    據著名期刊美國《科學》雜誌網站報導,接近CERN實驗者的消息來源透露,去年9月義大利實驗室所作的中微子速度超光速結果終於有了解釋:GPS信號接收器和PC之間的光纜沒接好導致的系統誤差造成了這一假象。
  • 中微子之謎:它總是以光速行進嗎?
    已經測量了核反應堆中產生的中微子和反中微子;已經測量了太陽產生的中微子;測量了與大氣相互作用的宇宙射線產生的中微子和反中微子;已經測量了粒子加速器實驗產生的中微子和反中微子;測量了最近一個世紀出現的超新星產生的中微子:SN1987A;近年來在南極洲冰層下已經測量到了來自活躍的銀河系中心的中微子。
  • 豎起大拇指,每秒就有600多億顆中微子,接近於光速從指尖穿過
    太陽每時每刻都在發光發熱,地球每時每刻也都在接收太陽的光熱,但由於地球的自轉和公轉,導致全球大部分地區都沒法持續接收太陽的光輻射,除非光子能夠穿透地球,但顯然光子不具備這樣的本領,然而對於太陽內部產生的另一種粒子來說,這些都不是阻礙。
  • 為什麼中微子能夠輕鬆穿過地球?
    來自1987a超新星的證據1987年2月23日,距離地球16.3萬光年的大麥哲倫星雲中的一顆名為1987a的超新星發生了爆炸,它是近400年來天文學家觀測到的最亮的一顆超新星。在爆炸產生的可見光被地球上的天文望遠鏡觀測到的3小時前,全球範圍內有三臺中微子探測器探測到了來自該超新星的中微子爆發,該中微子的爆發過程僅持續了十幾秒。正是這短短的十幾秒,證明了中微子可以輕鬆穿透地球。
  • 中微子是薛丁格的貓
    泡利設想這樣的一種新粒子具有一些很奇特的性質:它的體重特別輕,遠遠地輕於電子;它飛得非常快,接近於光速;它的性格非常內向、特別害羞,也就是說它一般不和其他粒子或其他物質交朋友(相互作用),它特立獨行;另外,它還是電中性的粒子。有了這樣一些特殊的性格,在實驗上要想探測或捕捉到中微子就變得非常困難。
  • 中微子是薛丁格的貓
    泡利設想這樣的一種新粒子具有一些很奇特的性質:它的體重特別輕,遠遠地輕於電子;它飛得非常快,接近於光速;它的性格非常內向、特別害羞,也就是說它一般不和其他粒子或其他物質交朋友(相互作用),它特立獨行;另外,它還是電中性的粒子。有了這樣一些特殊的性格,在實驗上要想探測或捕捉到中微子就變得非常困難。
  • 據說中微子能穿透一切?那麼能穿透中子星嗎?能穿過黑洞嗎?
    在標準粒子模型裡中微子屬於費米子。構成物質大廈的「磚塊」比如電子、夸克與中微子等都屬於費米子,而在將磚塊粘合起來的「水泥砂漿」比如光子、膠子與介子W和Z玻色子則是玻色子!中微子的速度只比光速低約0.0006%,這還是2012年MINOS實驗組在升級了設備之後測得的數據,原先認為中微子等於光速,甚至還鬧出過一起中微子超光速的事故,當然後來確認是傳輸線路的問題。二、中微子從哪裡來?放射性物質衰變以及核裂變堆與未來的聚變堆和超新星爆發等都能產生中微子,當然我們天天見的太陽也是中微子產生大戶。
  • 科學家從中微子三味態互動探察超新星爆炸
    美國西北大學(Northwestern University)團隊的一份研究發現,應該把中微子三個味態電子、渺子(muon)、τ子(tau)全部考慮在內,才能更全面地探察超新星爆發的過程。以往很多研究傾向於把中微子簡化分作電子中微子和非電子中微子兩類(即包括渺子中微子和τ子中微子)進行研究,這份研究發現這不是個好方法。「我們的研究顯示,它們(三種味態)都很重要,忽略渺子不是一個好的策略。」這份研究的主要作者馬尼布拉塔森(Manibrata Sen)說,「以往的研究是不全面的,而我們把三種味態全部包括考慮,看到的結果有著顯著的不同。」
  • 研究:從中微子三味態互動探察超新星爆炸
    美國西北大學(Northwestern University)團隊的一份研究發現,應該把中微子三個味態電子、渺子(muon)、τ子(tau)全部考慮在內,才能更全面地探察超新星爆發的過程。1987年2月24日在大麥哲倫星雲內發現的一次超新星爆發(SN 1987A),圖為環繞SN 1987A的環圈和在其中心來自超新星爆炸的環圈。以往很多研究傾向於把中微子簡化分作電子中微子和非電子中微子兩類(即包括渺子中微子和τ子中微子)進行研究,這份研究發現這不是個好方法。「我們的研究顯示,它們(三種味態)都很重要,忽略渺子不是一個好的策略。」
  • 世界上最快的速度並非就是光速,科學家發現了超光速的物質!
    現在人類文明發展到今天,有很多科學家都希望能夠突破人類速度的極限,到現在有很多交通工具的速度也是越來越快,比如最開始人類研發出來了自行車,後來研發出來的汽車,再後來研發出來的飛機,到現在人類的科技不斷的提高,研究出來的交通工具速度也是越來越快。
  • 去年有科學實驗顯示「中微子運行速度比光速快」,其實是實驗裝置出...
    穿越到古代,還是不可能 去年有科學實驗顯示「中微子運行速度比光速快」,其實是實驗裝置出了故障 2012年6月9日     據新華社電  如果某種物質粒子比光速快,從理論上說,人可以回到以前。