新的模拟揭示了中子星碰撞期间捕获的热中微子

当恒星坍缩时，它们会留下密度极高但体积相对较小、温度较低的残余物，即中子星。如果两颗恒星在近距离内坍缩，剩下的双中子星会螺旋式靠近并最终发生碰撞，两颗恒星开始合并的界面会变得异常炎热。

对这些事件的新模拟表明，碰撞过程中产生的热中微子(微小、基本上无质量、很少与其他物质相互作用的粒子)可以短暂地被捕获在这些界面上，并在 2 到 3 毫秒内与合并恒星的冷核保持不平衡状态。模拟显示，在此期间，中微子可以与恒星物质发生微弱的相互作用，有助于将粒子推回到平衡状态——并为这些强大事件的物理学提供了新的见解。

由宾夕法尼亚州立大学物理学家领导的研究小组在《物理评论快报》杂志上发表了一篇描述模拟的论文。

这项研究的负责人、宾夕法尼亚州立大学和加州大学伯克利分校的博士后研究员佩德罗·路易斯·埃斯皮诺 (Pedro Luis Espino) 说：“2017 年，我们首次在地球上观测到来自双中子星合并的各种信号，包括引力波。”

“这引起了人们对双中子星天体物理学的极大兴趣。没有办法在实验室中重现这些事件来进行实验研究，所以我们了解双中子星合并过程中发生的情况的最佳窗口是通过基于爱因斯坦广义相对论的数学模拟。”

中子星之所以得名，是因为它们被认为几乎完全由中子组成，中子是不带电的粒子，与带正电的质子和带负电的电子一起构成原子。它们密度惊人——只有黑洞比它们更小、更密集——人们认为它们会将质子和电子挤压在一起，将它们融合成中子。

一颗典型的中子星直径只有几十公里，但质量却约为太阳的 1.5 倍，太阳直径约为 140 万公里。一茶匙中子星物质的重量可能与一座山一样重，达到数千万或数亿吨。

宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院物理学、天文学和天体物理学助理教授、研究小组负责人戴维·拉迪斯 (David Radice) 说：“合并之前的中子星实际上很冷，尽管它们的温度可能高达数十亿开尔文，但它们令人难以置信的密度意味着这种热量对系统的能量贡献很小。”

“当它们发生碰撞时，它们会变得非常热，碰撞恒星的界面温度可以达到数万亿开尔文。然而，它们的密度如此之大，光子无法逃逸来散热;相反，我们认为它们会通过发射中微子来冷却。”

据研究人员介绍，中微子是在碰撞过程中产生的，因为恒星中的中子相互碰撞并分裂成质子、电子和中微子。碰撞后最初一瞬间会发生什么，这一直是天体物理学中一个悬而未决的问题。

为了回答这个问题，研究小组创建了需要大量计算能力的模拟，模拟双中子星的合并以及所有相关物理现象。模拟首次表明，无论时间多么短暂，中微子也可能被合并产生的热量和密度所捕获。热中微子与恒星仍然较冷的核心不平衡，可以与恒星物质相互作用。

拉迪斯说： “这些极端事件拓展了我们对物理的理解范围，研究它们可以让我们学到新的东西。”

“合并恒星失去平衡的时间只有 2 到 3 毫秒，但就像温度一样，时间在这里也是相对的，合并前两颗恒星的轨道周期可能只有 1 毫秒。这个短暂的失衡阶段是最有趣的物理现象发生的时候。一旦系统恢复平衡，物理现象就会得到更好的理解。”

研究人员解释道，合并过程中发生的精确物理相互作用可能会影响在地球上观测到的双星合并信号类型。

埃斯皮诺说：“中微子如何与恒星物质相互作用并最终被发射出去，将影响两颗恒星合并后残余物的振荡，进而影响合并后的电磁波和引力波信号到达地球时的样子。”

“下一代引力波探测器可以设计用于寻找此类信号差异。通过这种方式，这些模拟发挥了至关重要的作用，使我们能够深入了解这些极端事件，同时以某种反馈回路的形式为未来的实验和观察提供信息。”