近释放中微子_中微子论文

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1987年2月24日,在与我们的银河系为邻的大麦哲伦云中, 一颗引人瞩目的超新星出现了。天文学家第一次检测到来自这颗超新星的中微子。在此之前,人类最近一次观测到如此“近距离”的超新星爆发,已是400年前的事了。中微子作为超新星爆发的直接证据,首次被确定。

中微子具有不可思议的极强的穿透能力,如果有数光年厚的一个铅做成的壁垒的话,中微子也能从容而过。

捕捉到中微子

以日本和美国科学家组成的研究小组,在上述超新星爆发的前一天,即2月23日下午4时35分35秒至48秒之间,共捕捉到11个中微子,其中2个可以确定来自大麦哲伦云。他们利用的装置设在日本岐阜县神冈矿山1000米深的地下,他们在那里设置了一个直径15.6米、高16米的圆桶形水槽,其中灌满了水,足有3000吨之多。在水槽的内部,设置了直径50厘米的光电倍增管1000个,当中微子来临时,可观测到切连科夫光。

在这个研究小组观测到中微子的同一时刻,美国设在阿尔班、密执安、布鲁克黑文的观测设施也捕捉到几个中微子,但观测精度不及神冈。

根据日美科学家小组在神冈捕捉到的中微子的数量、能量和到达地球时间,日本东京大学副教授佐藤胜彦经过计算指出,这颗爆发的超新星的质量相当于太阳的15倍;被覆盖的星核的表面温度约300亿摄氏度;中微子的动能在25电子伏特以下。

与超新星的名称正相反,超新星是恒星末日的大爆炸,如果它与地球的距离与太阳相仿,那么它比太阳明亮几亿到几十亿倍。一颗超新星的亮度,会使恒星的庞大集团——银河系都黯然失色。尽管每年都发现几个超新星的记载,但这些超新星都属于遥远的星系,只有用天文望远镜才能看到。

中微子在超新星爆发中产生

在最近1000年中,共有5颗属于我们这个银河系的超新星被发现,并留下了记录。中国《宋史》中写到1054年的超新星便是其中之一,其残骸就是金牛座的蟹状星云。自1604年开普勒在蛇夫座发现一颗超新星以来,人类在近400年的光阴中很少再发现超新星。

大麦哲伦云虽说属于别的星系,但距离银河系只有15光年,依宇宙尺度来看,已属近在咫尺了。在大麦哲伦云中出现的这颗闪耀着红色光芒的超新星,光度曾增至4等,但这已比太阳明亮几千万倍了。这是自开普勒发现银河系超新星以来,人类在南半球能用肉眼看到的第一颗超新星。

如果超新星距太阳系再远一些,那么能够捕捉到的中微子也就更少,有关超新星的信息就难以获得。大麦哲伦云似乎处在这一极限距离上。

与太阳质量相仿的恒星,当内部的核聚变达到某一阶段时,就会燃烧殆尽,以致冷缩成一颗白矮星。今天的太阳直径是地球的许多倍,但一旦成为白矮星,其直径与地球就不相上下了。不过,质量是太阳8倍以上的恒星,其情况就迥然不同了,当这种恒星核心内的核反应进行到一定限度,由于核聚变,其核心就会逐渐积累重元素,与此同时温度逐渐上升,达到数十亿摄氏度后,重元素全部转变成铁,而铁不再是核反应的燃料,核反应到此结束。

由铁元素构成的星核因为本身的重力而收缩,这使温度进一步升高,造成往来奔突的光子的能量骤增,终于将铁元素击毁。铁元素分解后变成氦元素,并进一步分解成质子和电子。质子和电子又转化为中子。由于铁元素在转化成氦元素时是吸热反应,恒星的核心转瞬间就塌缩了。恒星的铁“心脏”一下子土崩瓦解。

在这个过程中产生了大量的中微子。有人认为中微子就是这样携带着能量逃之夭夭的。但情况似乎并非这么简单。据美国劳伦斯利巴莫研究所的科学家威尔逊等人的最新理论,中微子并不容易逃逸,只是在“拥挤不堪”时才向外“溢出”,形成爆炸能,扫除了超新星周围的气体,这场冲击波同时加热了气体,于是又制造出大量的中微子与反中微子。

不管怎么说,中微子对超新星爆发的直接证据是没有疑问的。中微子对超新星爆发时能量的99%席卷而去,气体的亮度和高速膨胀的能量,只占超新星爆发能量的1%。日美科学家在神冈的观测证实了这一理论。他们捕捉到的是在气体中形成的中微子。名闻遐迩的美国物理学家乔治·卡莫夫(生于俄国),早在1941年就认为,由于中微子带走了恒星的能量,导致恒星的溃灭和超新星的爆发,他称这为“乌尔加过程”。“乌尔加”是南美洲一家著名的赌场的名字,赌客在这里时常在不长时间里就输得一文不名,卡莫夫以此来比喻中微子是如何在转瞬间带走了恒星的能量。

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