神秘莫測的引力波 將來會否指引我們看到恆星的演變

2020-09-10 天文在線

當一顆恆星爆炸時，我們很難看到它內部的情況，這是因為傳統方式傳遞的信息都被「爆炸」淹沒了，但是引力波——在時空結構上泛起的微小漣漪——可能會幫助天文學家了解大質量恆星的死亡之謎。

恆星在變為超新星時需要大量的能量。當大質量恆星死亡時，它們的亮度可以蓋過整個星系的亮度(那將是數千億顆恆星的亮度)。我們知道超新星現象是真實存在的，但我們不確定是什麼觸發了這一現象。

然而，我們確實了解一部分事實。在恆星壞掉之前的時間裡，恆星的核心是被一層又一層的核聚變反應包圍著的鐵核。在恆星其餘部分的擠壓下，鐵將變成更重的元素，但這種反應不是聚變反應，它不會釋放任何的能量。

不進行聚變反應，恆星內部將失去抵抗外部壓力的源動力，只靠電子簡併壓已經不能阻止引力殺死恆星了。但在最後一刻，就在災難將臨大廈將傾的前一秒，強烈的壓力將電子推入質子，電子與質子合作，它們變成中子，依靠比電子更強的中子簡併壓來抵抗引力的作用。此時產生的巨大中子球(原始的中子星)能夠短暫地停止恆星向內坍縮，繼而恆星可能會「砰」的爆炸（超新星爆發）。

天文學家對這一過程的計算機模擬很難從坍縮停止到「砰」——程序似乎遺漏了某些因素。質子轉化為中子的過程中會釋放出大量被稱為中微子的微小粒子，這些粒子大部分都自由地逃逸掉了（事實上，超新星99%的能量都轉化成了中微子釋放），而我們還不清楚這些中微子如何以及是否會觸發超新星爆發的過程。

但還有一種可能為超新星提供能量的動力源。在超新星爆炸前的最後一刻，中子和質子可能經歷了一次或多次的相變，變成一種奇異的、由基本粒子組成的等離子體，即夸克-膠子等離子體。

這種相變將會釋放出新一輪的能量，這也許正是超新星所需的能量。然而判斷這是否是事情的真相是一項棘手的任務，因為我們無法在超新星爆發的時候看到裡面是什麼樣子的。

但是事實上可能還存在另外一種方法。根據近期的一份文獻，在超新星發射出引力波的過程中，可能存在一個更明顯的信號。這些引力波有高頻、高振福、持續時間極短（只有幾毫秒）的特點。雖然目前的實驗還無法完成檢測這些引力波信號的任務，但未來的檢測器能否探測到星體內部情況還猶未可知。

相關知識

引力波由加速的大量粒子形成，是時空扭曲所產生的擾動，它以波的形式、光的速度向外傳播。1905年，龐加萊猜測可能存在以光速傳播的引力波，隨後在1916年，愛因斯坦在廣義相對論的基礎上預言了引力波的存在。引力波以引力輻射的形式傳播能量，這種能量類似於電磁輻射的輻射能。牛頓的萬有引力定律是經典力學的一部分，它無法證明它們的存在，因為這個定律是建立在物理的相互作用瞬時傳播（以極大的速度傳播）的基礎上的——這證明經典力學的方法不能用於解釋與相對論有關的現象。

引力波天文學作為觀測天文學的一個分支，它使用引力波來收集一些觀測數據，這些數據往往跟可檢測引力波的來源有關，如中子星、黑洞和由白矮星所組成的雙星系統，還有一些如超新星和大爆炸後不久早期宇宙的形成。在1993年，赫爾斯和小約瑟夫.泰勒因發現並觀測到Hulse-Taylor雙星脈衝星榮獲諾貝爾物理學獎，這為引力波的存在提供了第一個間接證據。在2016年2月11日LIGO合作宣布首次觀測到引力波，這是在2015年9月14日格林尼治時間九點五十分四十五秒探測到的信號，當時兩個質量分別為29和36個太陽質量的黑洞在約13億光年外合併，在合併的最後一秒，它釋放出可觀測宇宙中所有恆星總和的五十多倍的能量，信號頻率在10個周期（5個軌道）內從35Hz上升到250Hz，強度持續上升了0.2秒。


作者：PAUL M.SUTTER）

FY：Astronomical volunteer team

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