核心塌縮,黑洞和中子星的誕生地:大質量恆星的超新星爆炸!

2020-12-05 騰訊網

在新發表在《皇家天文學會月刊》上的一項新研究中，來自ARC引力波發現卓越中心(OzGrav)的Jade Powell博士和Bernhard Mueller博士，使用來自澳大利亞各地的超級計算機（包括斯溫本理工大學的OzSTAR超級計算機）模擬了三顆核心塌縮的超新星。這些模擬模型比太陽的質量大39倍、20倍和18倍，揭示了超新星對爆炸的大質量恆星和下一代引力波探測器的新見解。

核心塌縮超新星是大質量恆星在其生命末期的爆炸性死亡，超新星是宇宙中最明亮的物體之一，也是黑洞和中子星的誕生地。從這些超新星探測到的引力波，有助於科學家更好地理解黑洞和中子星的天體物理。未來先進的引力波探測器，設計得更靈敏，可能會探測到超新星（核心坍塌的超新星）可能是第一個在電磁光、中微子和引力波中同時觀測到的物體。

為了探測引力波中的核心塌陷超新星，科學家需要預測引力波信號會是什麼樣子，所以使用超級計算機來模擬這些宇宙爆炸，以了解它們複雜的物理過程。這使得他們能夠預測當恆星爆炸時探測器會看到什麼，以及它的可觀測特性。在這項研究中，對三顆爆炸中的大質量恆星模擬在很長一段時間內，跟蹤超新星引擎的運行，這對於準確預測中子星質量和可觀測到的爆炸能量很重要。

奧茲格拉夫博士後研究員傑德·鮑威爾說：模型比太陽質量大39倍、20倍和18倍。39個太陽質量的模型很重要，因為它的自轉速度非常快，之前大多數長持續時間的核心塌陷超新星模擬，都不包括旋轉的影響。兩個質量最大的模型，會產生由中微子提供動力的高能爆炸，但最小的模型沒有爆炸。沒有爆炸的恆星會發出振幅較低的引力波，但它們的引力波頻率位於引力波探測器最靈敏的範圍內。

這是第一次研究表明，旋轉改變了引力波頻率和新形成中子星性質之間的關係。快速旋轉的模型，顯示了巨大的引力波振幅，這將使爆炸中的恆星，幾乎可以被下一代引力波探測器(如愛因斯坦望遠鏡)探測到，這一研究對象距離我們近650萬光年。研究還用廣義相對論中微子流體力學程序COCONUT-FMT對旋轉和非旋轉的大質量恆星前體核崩塌進行了三維模擬。兩個Wolf-Rayet模型都能產生穩定的中微子驅動爆炸，而紅色超巨星模型則無法爆炸。

39倍太陽質量和20倍太陽質量模型的爆炸能量已分別達到1.1×10 ^5 1和0.6×10^5 1erg,它們產生質量相對較高的中子星，但衝擊力不大。在快速旋轉的39倍太陽質量模型中，由於雙極爆炸幾何形狀與旋轉軸的對準，自旋與踢之間存在相對較小的30°不對準。對於這個模型，研究發現與不旋轉的情況相比，旋轉顯著改變了f模的特徵引力波頻率的依賴關係，其引力波可以使用如未來的愛因斯坦望遠鏡探測到。

博科園｜研究/來自：ARC卓越重力波發現中心

研究發表期刊《皇家天文學會月刊》

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