北京
一颗大质量恒星走到生命尽头，未必都会炸成明亮的超新星。有些会直接塌缩成黑洞，可能几乎没有可见的爆炸。决定它走哪条路的因素，一直是恒星天体物理学里悬而未决的大问题。
哥本哈根大学研究者的新模拟给出了一个方向：答案的一部分，可能藏在中微子身上。这种几乎无质量的粒子穿过物质时极少发生相互作用，而研究指出，中微子“味”的变化，可能改变某些塌缩恒星是爆炸还是失败。
中微子如何影响恒星的最后时刻
中微子有不同的类型，也就是“味”，可以通过一个叫中微子味转换的过程从一种味变成另一种味。不同味的中微子与塌缩恒星内部物质的相互作用方式不同，这些转换可能影响爆炸前关键时刻的能量转移。
“我们早就知道中微子可以在不同味之间切换。但我们通常假设这对爆炸本身的结果没有影响。我们的新研究结果表明，这种味可以告诉我们一些关于恒星命运的信息。”尼尔斯·玻尔研究所博士后、该研究第一作者玛丽亚姆·戈吉拉什维利说。
超新星模型长期以来都包含中微子，因为它们在恒星塌缩物理中扮演核心角色。但要完整考虑中微子味转换，所需的计算即使对现代计算机来说也极其苛刻。
测试195颗塌缩恒星
“模拟一颗大质量恒星的死亡，基本上处于我们目前计算能力的前沿。因为它涉及大量物理，计算成本极其高昂。”尼尔斯·玻尔研究所教授、粒子天体物理组负责人、该研究第二作者伊雷妮·坦博拉说。
为了让问题变得可处理，戈吉拉什维利和坦博拉开发了一个简化模型，使他们能够在一大批恒星塌缩模拟中测试中微子味转换的影响。
他们模拟了195颗恒星，质量范围从太阳质量的9倍到120倍。对每一种情况，他们比较了包含中微子味转换的模拟和不包含的模拟。他们还改变了转换过程开始的密度，然后追踪每个模型是产生了超新星爆炸，还是继续塌缩成黑洞。
一些恒星改变了命运
最强的效应出现在质量介于太阳质量16倍到30倍之间的恒星中。在这个范围内，加入中微子味转换导致一些模拟恒星切换了结果，把成功的爆炸变成了失败的爆炸。
“当我们把全部195个模拟并排放在一起，看到一整批恒星从爆炸翻转为失败时，那是一个非常激动人心的时刻。在这么多恒星中看到如此清晰的模式，告诉我们中微子味转换是我们试图理解大质量恒星如何结束生命时绝对不能忽略的东西。”博士后研究员玛丽亚姆·戈吉拉什维利说。
这些模拟并没有确立中微子味转换单独决定了真实恒星的命运。恒星塌缩取决于许多相互作用的物理过程，而且研究者使用的是简化模型。结果只是表明，中微子味变化可能是超新星计算需要更仔细考虑的因素之一。
可能解释失踪的超新星
这些发现还可能关系到“超新星速率问题”。天文学家观测到的超新星数量，少于理论模型根据预期达到生命终点的大质量恒星数量所预测的数量。
一种可能的解释是，一些大质量恒星塌缩成黑洞，没有产生天文学家通常用来识别超新星的明亮爆炸。尘埃也可能把爆炸藏起来。
“通常，我们探测到超新星是因为爆炸非常明亮。但如果一颗恒星直接塌缩成黑洞而没有可见爆炸，或者被尘埃遮挡，它实际上可以从我们的计数中‘消失’。因此我们的结果表明，存在一种机制可能让这种‘失败的超新星’更有可能发生。”玛丽亚姆·戈吉拉什维利说。
“因此，这不仅可能给我们更好的工具来预测一颗垂死恒星的命运，还可能帮助解释为什么观测结果并不总是与理论预测相符。”伊雷妮·坦博拉教授补充说。
恒星之死帮助构建新世界
一颗大质量恒星是否爆炸，也影响它一生中产生的物质会怎样。大质量恒星合成更重的元素，超新星爆炸可以把这些物质抛射到太空中，在那里成为后来几代恒星、行星和其他宇宙结构的一部分。
理解为什么一些恒星爆炸而另一些直接塌缩成黑洞，因此把中微子和恒星塌缩的物理与宇宙的化学演化联系了起来。
“当我们研究大质量恒星如何生存和死亡时，我们也在研究构成宇宙和我们自身的许多元素的起源。这样，关于垂死恒星的问题就与我们自身起源的问题联系在了一起。”伊雷妮·坦博拉教授总结道。
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