超新星中的引力波：看到它不一樣的一面（二）

科技 10-07

小編之前說過引力波無處不在，當然不僅僅是雙黑洞，理論預計還有雙白矮星併合、雙中子星併合（以及白矮星、中子星、黑洞三者之間兩兩組合）等等諸多劇烈的天體物理過程都可以產生能夠被我們探測到的引力波。最近的研究表明超新星爆發也可能會產生可以被探測到的引力波（具體可見英文版參考文獻[3]或中文翻譯版參考文獻[4]）。

超新星遺迹SN 1054 圖片來源:nasa.gov

什麼！？你說不知道超新星是什麼？！且聽小編給你慢慢道來：

超新星爆發是恆星世界裡發生的最為劇烈的活動，是某些較大質量的恆星到了生命晚期產生的爆發現象，它一顆星爆發的亮度堪比整個星系的亮度。超新星從爆發機制上大致可以分為兩類：Ia型超新星和II型超新星（其中Ib和Ic型具有和II型相同的爆發機制，而所謂I型和II型超新星是按照元素不同劃分的）。

Ia型超新星

Ia型超新星爆發前是一對密近雙星中的一顆子星，演化到晚期形成一顆白矮星，它比它的伴星要緻密得多，它會吸積它的伴星的物質，一直到白矮星的質量超過錢德拉塞卡質量極限（也就是白矮星能穩定存在的最大質量，約1.4倍太陽質量），這顆白矮星就會發生爆炸！爆炸產生的激波會壓縮並加熱未燃燒的物質，使其迅速升溫達到核反應的點火溫度，產生失控的核爆炸，釋放巨大的能量！這就是Ia型超新星爆發，幾乎所有的Ia型超新星爆發時都具有相同的光度，因此可以作為宇宙的標準燭光。

上世紀90年代天體物理學家薩爾·波爾馬特(Saul Perlmutter) 、布萊恩·斯密特(Brian P. Schmidt) 和亞當·賴斯(Adam G. Riess)，就是通過對Ia型超新星的觀測研究發現宇宙是加速膨脹的，並因此獲2011年諾貝爾物理學獎。

II型超新星

II型超新星也叫核坍縮型的超新星。質量在8倍太陽質量以上的大質量恆星演化到晚期，會形成一個鐵核。細心的讀者可能就會問為什麼是鐵呢？不知道大家還記不記得原子核的比結合能的曲線？

不同質量數的原子核的比結合能曲線

比結合能越大，表示該元素越穩定，能量也越低。通過原子核的比結合能曲線圖，我們可以看到鐵原子核處於最穩定的狀態。而核電荷數比鐵小的輕核可以通過聚變釋放能量，核電荷數比鐵大的重核可以通過裂變釋放能量，從輕核不斷聚變到鐵之後，核聚變反應就停止了，就會在恆星最裡面形成一個鐵核。由於核聚變的終止，鐵核內的壓力驟然下降，發生引力坍縮升，高溫會觸發光致分解和中子化等強烈反應，進一步促進了內核坍縮。而內核坍縮釋放出巨大的引力能被轉移給中微子，高能的中微子束對外殼層產生足夠大的壓力，將外殼驅散，就形成猛烈的超新星爆發，爆炸時也會類似於Ia型超新星產生激波。而後被吹散的外殼遺留下來形成了超新星遺迹，中子化的核心會留下一顆中子星。

兩種超新星的爆發機制

圖片來源：向守平《天體物理概論》書中插圖

特別要指出的是，由於中微子與普通物質的相互作用很弱，恆星核心產生的中微子可以迅速穿透厚厚的外殼，而核心產生的光子則要會遭遇無數次的散射，幾乎不可能從恆星內部逃逸出來。我們很難觀測到恆星核心內部產生的光子，但卻可以通過觀測中微子而得知超新星爆發時恆星內部的信息。1987年，日本神岡、美國IMB和前蘇聯巴克珊實驗室都記錄到來自大麥哲倫雲方向的超新星SN1987A的爆發產生的中微子，這一發現還贏得了2002年的諾貝爾物理學獎。

超新星爆髮帶來的引力波

好了，做了這麼多鋪墊，想來看官也累了。下面就讓我們進入今天的壓軸戲。前面說到過物體非球對稱的形變也可以產生引力波，對於核坍縮型的超新星，由於恆星內部存在自轉、磁場等等諸多因素，往往也不會是球對稱坍縮的，因此超新星很可能伴有引力波的產生。前身星的質量在8-50倍太陽質量，並且離我們稍微近一些的超新星爆發（比如在銀河系以內的），其核心坍縮產生的引力波，是很有希望能被我們地面的LIGO-VIRGO-GEO600引力波聯合探測器探測到。

來自Glasgow和 Arizona的Jade Powell等天文學家們在最近剛發表在arXiv上的一篇題為《通過三維的引力波模擬推斷核心坍塌型超新星的爆炸機制》的文章（原文請見參考文獻5）。文中提出了一個可以使用超新星模型取證器(SMEE)來實現的程序。然後研究人員利用核坍縮型超新星（CCSNe）的最新三維模型進行模擬，以確定是否可以消除背景雜訊，並檢測出CCSNe的引力波信號。文中計算了兩種不同的超新星爆發模型：第一種模型的爆發能量來自於中微子，第二種模型的爆發能量來自於快速的旋轉和極強磁場。對於在距離10kpc遠的快速旋轉的模型的信號可以100%確定爆發機制，而對於距離2kpc遠的中微子機制的信號只有大約95%的把握確定爆發機制。

由於引力波是從核坍縮型超新星的核心內部發射出來的，它可以讓很多天體物理的參數，如狀態方程(EOS)從引力波信號的重建中得到測量。同時因為引力波是從恆星的深處發出的，那裡電磁輻射幾乎沒有辦法逃逸出來。這使得引力波探測可以告訴我們關於爆炸機理的信息，而這些信息不能靠其他方法來確定。除此之外還可以確定其他參數，比如恆星旋轉的速度。

小編評論

文末，小編以個人的能力和見識給一點兒評價，僅代表個人意見，不一定正確，歡迎大家一起討論：

引力波又打開了人類探索宇宙的一個新窗口，很多通過電磁波觀測不到的現象可以通過引力波探測到，就比如說連光都逃不出去的黑洞，它不會有電磁輻射，但是它可以輻射引力波。

超新星爆發伴隨的引力波事件與雙黑洞併合引力波事件最大的不同之處，是雙黑洞併合的引力波事件不一定有電磁對應體（張雙南等人曾在理論上認為兩個「乾淨」的黑洞併合不可能有電磁對應體存在，否則這兩個黑洞中至少有一個不是真正的黑洞，而是凍結星（frozen star），也就是說還有物質沒有完全坍縮到黑洞的視界面之內），但是超新星爆發事件除了產生引力波外，還一定會伴有長時間的伽瑪暴以及中微子暴，它的電磁對應體是一定存在的。利用電磁對應體可以準確地確定源的位置，甚至確定宿主星系，得到更準確的信息（引力波的定位精度差這是眾所周知的）。對於超新星爆發事件，我們可以充分發揮多信使天文學的優勢，從引力波、電磁波、中微子各個不同的方面去獲取不同的信息。電磁波主要帶來超新星表面層的信息，而引力波類似於中微子，幾乎不與通常物質發生相互作用，它們都能夠暢通無阻地穿越恆星很厚的外殼層，也不被星際介質或塵埃散射，順利地達到地球，帶來恆星內核裡面最原始的信息，這會有助於我們建立起更準確的超新星爆發模型。還可能增進我們對引力波或者中微子的認識，比如限制中微子的質量上限等等，如果能遇到一次合適的核坍縮型超新星爆發，那將具有很多非常重要的意義。

打個比方，如果說我們能「看」到電磁波信號，「聽」到引力波信號，「聞」到中微子的「味」的話，那麼在雙黑洞面前，我們就是瞎子並且還失去了嗅覺，只能聽到卻看不到，也聞不到它，而在超新星的面前，我們就五官俱全了，既能聽，又能看，還能聞！

所以讓我們翹首以盼這樣一次讓恆星迴光返照的爆發吧！