如何能看到恆星內部？

【博科園-科學科普】2016年2月11日激光干涉引力波天文台(LIGO)的科學家們宣布了首次發現引力波。這一發展證實了一個世紀前愛因斯坦的廣義相對論的預言，為宇宙學家和天體物理學家開闢了新的研究途徑。從那時起已經有了更多的探測，所有這些都被認為是黑洞合併的結果。

超新星1987A周圍物質的藝術的概念圖。圖片版權：ESO/L. Cal?ada

然而根據來自格拉斯哥和亞利桑那州的一組天文學家的說法：天文學家不需要限制自己探測由大規模重力合併引起的漣漪。根據他們最近發表的一項研究，先進的LIGO,GEO 600和處女座的重力波探測器網路也可以探測到超新星產生的引力波。這樣一來天文學家們就能第一次看到坍縮的恆星的心臟了。

這項名為「通過三維重力波模擬推斷核心坍塌的超新星爆炸機制」的研究最近在網上發表。由傑德·鮑威爾(Jade Powell)領導，她最近在格拉斯哥大學(University of Glasgow)的重力研究學院(Institute for重力Research)完成了博士學位。該研究小組認為，目前的引力波實驗應該能夠探測出由核心坍塌超新星(CSNe)產生的漣漪。

也就是所謂的II型超新星，CCSNe是當一顆巨大的恆星到達其生命周期的末端，並經歷快速坍縮時所發生的事情。這引發了一場巨大的爆炸，從恆星的外層爆炸，留下一顆剩餘的中子星，最終可能變成一個黑洞。為了讓一顆恆星經歷這樣的坍塌，它必須至少是太陽質量的8倍(但不超過40到50倍)。

當這些類型的超新星發生時，人們相信核心轉移中產生的中微子是由核心坍縮到恆星較冷的外層區域的。鮑威爾博士和她的同事們認為利用當前和未來的儀器可以探測到這種引力。

圖片：視覺中國

正如他們在研究中解釋的那樣：

雖然目前還沒有被引力波探測器探測到CCSNe，但以前的研究表明一個先進的探測器網路可能對這些源對大麥哲倫雲(LMC)敏感。一個CCSN將是一個理想的多信使源，阿里戈和阿德作為中微子和電磁對應的信號將被期望。引力波是從CCSNe的核心內部發射出來的，它可以讓天體物理參數，如狀態方程(EOS)從引力波信號的重建中得到測量。

鮑威爾博士和她還在他們的研究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。然後研究人員利用重力波核坍塌超新星的最新三維模型進行模擬，以確定是否可以消除背景噪音，並適當檢測出CCSNe信號。

超新星模型證據提取器(SMEE)是我們用來確定超新星爆炸所需能量的一種演算法。它使用貝葉斯統計數據來區分不同的可能的爆炸模型。我們在論文中所考慮的第一個模型是爆炸能量來自於恆星發出的中微子。在第二個模型中爆炸能量來自快速旋轉和極強的磁場。

從這一點上研究小組得出結論，在一個3個探測器的網路中，研究人員可以根據他們的距離正確地確定快速旋轉超新星的爆炸力學。在10kiloparsecs(32,615光年)的距離上，他們能夠以100%的準確度檢測出CCSNe的信號，並在2kiloparsecs(6,523光年)發出信號，準確率達95%。

換句話說如果超新星發生在當地的星系中，由先進的LIGO所形成的全球網路，室女座和GEO 600引力波探測器將會有很好的機會去捕捉它。對這些信號的檢測也將允許一些突破性的科學，使科學家們第一次「看到」爆炸的恆星內部。

引力波是從恆星的深處發出的，那裡沒有電磁輻射可以逃逸。這使得引力波探測可以告訴我們關於爆炸機理的信息，而這些信息不能用其他方法來確定。我們也可以確定其他參數，比如恆星旋轉的速度。

當黑洞螺旋向外的時候插圖顯示兩個黑洞和引力波的合併。圖片版權：LIGO/T. Pyle

鮑威爾博士最近完成了她的博士學位，她還將在澳大利亞斯溫伯恩大學(University of Swinburne)主持的「引力波」項目中擔任博士後的職位。與此同時她和她的同事們將在第一次和幾秒鐘的高級探測器觀測中對超新星進行搜索。

雖然目前還沒有任何保證，但他們會發現這些廣受歡迎的信號，表明超新星是可以探測到的，但這個團隊有很高的希望。考慮到這項研究對天體物理學和天文學的可能性他們並不孤單！

參考：arXiv

作者：Matt Williams

來自：Universe Today

編譯：中子星

審校：博科園

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