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一群由澳大利亞天體物理學家組成的團隊正在模擬虛擬超新星爆炸的過程以解開黑洞的奧秘和中子星等天體物理的運作。

超新星的來源

當一顆質量是太陽數十倍的恆星走到生命盡頭時,其核心會迅速坍塌導致超新星爆炸。超新星爆發是宇宙中沒有最強的反應,他所釋放的能量和太陽在其一生中所釋放能量總和相媲美。它們是宇宙中最亮的物體之一,並且可以孕育新的黑洞誕生。超新星爆炸表示了一顆恆星壯烈的死亡,但是也代表著會新一代的恆星誕生,原來恆星的核心坍塌後也可能孕育出中子星或黑洞。

來自澳大利亞ARC引力波卓越研究中心 (OzGrav)的科學家,透過超級電腦反覆模擬超新星爆炸過程使他們能夠預測當恆星爆炸時探測器將可觀測到什麼反應以及它的可觀測特性。

然而,雖然目前的引力波偵測技術在探測方面的能力越來越進步,可以偵測到一個黑洞的形成或兩個黑洞的合併,但仍還是有無法偵測到的事件,比如果超新星爆炸的過程。

引力波

引力波是物體加速過程中在宇宙中所產生的漣漪。當恆星爆炸或黑洞碰撞的時候都會產生引力波。

為了探測引力波中的核心坍塌的超新星,科學家需要先預測引力波訊號是麽樣子,以便使用超級機算機來模擬這些恆星爆炸活動來探索它們複雜的物理過程。

根據上個月在《皇家天文學會月刊》上發表的文章,研究人員使用超級電腦模擬了三個核坍塌的超新星,分別爲39 倍、20 倍太陽質量的沃爾夫-拉葉星Wolf- Rayet stars)和一顆18倍太陽質量的紅超巨星(Red supergian)。

而其中39倍太陽質量的progenitor快速自轉,另外兩顆不會。通過反覆模擬這些恆星的爆炸,從而預測處超新星爆炸散發出的引力波信號和導致爆炸的特性。

根據研究,模擬中兩個質量最大的模型會產生中微子驅動的高能爆炸,而紅超巨星則無法爆炸。 特別是,在39倍太陽質量模型中,科學家發現,和非旋轉的情況相比,旋轉會大大地改變「引力波頻率」對「中子星的f-mode参數」的依賴性。此外,從這個模型中他們發現快速旋轉的模型會顯示巨大的引力波震幅,在近乎2Mpc以內,它的引力波振幅將有機會被下一代引力波探測器(如愛因斯坦望遠鏡)探測到。

OzGrav博士後研究員傑德鮑威爾(Jade Powell)說:“ 我們的模型比太陽的質量大39倍,20倍和18倍。其中39倍太陽質量的模型非常重要,因為它自轉的速度非常快,並且以前對於核塌陷超新星模擬的實驗都不包括討論旋轉的影響。 ”

此外,鮑威爾解釋說:“我們首次證明了自轉改變了引力波頻率與新形成的中子星性質之間的關係。”

未來,為了開發出更先進的引力波探測機器,科學家表示需要大量地針對大質量的和會自轉的核坍塌超新星進行更多的模擬實驗 。

參考資料:

  1. Powell, J. and Müller, B., 2020. Three-dimensional core-collapse supernova simulations of massive and rotating progenitors. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society494(4), pp.4665-4675.
  2. ROBITZSKI, D., 2020. Scientists Are Killing Off Virtual Stars To Study Black Holes. [online] Futurism. Available at: <https://futurism.com/the-byte/scientists-killing-virtual-stars-study-black-holes> [Accessed 1 June 2020].
  3. Phys.org. 2020. Scientists Reveal New Insights Of Exploding Massive Stars And Future Gravitational Wave Detectors. [online] Available at: <https://phys.org/news/2020-05-scientists-reveal-insights-massive-stars.html> [Accessed 1 June 2020].

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