26 November 2020
二零二零年八月三十一日
重力波可以顯示垂死恆星的核心何時分解成夸克物質
有助天文學家探索生命之源


香港中文大學(中大)朱明中教授和練立明博士、瑞典斯德哥爾摩大學查帥博士(中大2019年博士畢業)和Evan O’Connor教授,以及美國密歇根州立大學Sean M. Couch教授合著的一篇論文中,使用最先進的多維超新星模擬技術,研究在超新星核塌陷的量子色動力學(quantum chromodynamics,簡稱QCD)相變,首次在星核發射的重力波和中微子信號中發現這種相變的獨特烙印。該論文最近發表於物理學權威期刊Physical Review Letters,並被評為編輯之選。

古代中國人最早觀察和記錄超新星。在宋仁宗年間,著名的超新星「SN 1054」白天肉眼可見,「宋史」中記錄為「天官客星」,因為它在天空中只出現了大約兩年。它亦稱為「妖」星,被視為會帶來災禍。直到一個世紀前,人們才開始知道超新星是恆星的劇烈爆炸,威力比典型核彈強勁1027倍。然而,恆星為何爆炸以及其驚人爆炸力的動力來源仍是未解之謎。

科學家普遍認為,答案可能在於恆星核心中的質子和中子分解成夸克和膠子時所釋放的能量,這轉換過程被稱為QCD相變。在該論文中,研究人員發現在星核發射的重力波和中微子信號中存在著QCD相變的獨特印記,顯示重力波和中微子可成為超新星核心的新觀測工具,因為它們是在恆星核中產生的,並且可以輕易穿透物質。將恆星核心中的質子和中子分解成夸克及膠子,有可能觸發爆炸。QCD相變令重力波訊號出現高頻(〜3,000 Hz)、大振幅和短持續時間(小於5 ms)等易分辨的新特徵。

超新星爆炸對於恆星和行星的形成非常重要。爆炸將上一代恆星中煉成的重元素(例如碳和鐵)散布到星際,這些灰燼成為下一代恆星(如太陽)和行星(如地球)的原材料。

「我們都是星塵,來自超新星。研究超新星是邁向了解我們從何而來的關鍵一步。」朱教授說。「因此,如果我們有幸能看到下一次的超新星,須謹記這是一顆恆星的死亡和另一個新世界的開始,這也許是由質子和中子融化成夸克和膠子所致。」

若能觀測到這種重力波訊號與中微子爆發是同時發生,將為超新星核物質轉化為夸克物質提供有力證據。這樣的觀測將大大提升天文學家對超新星的理解。

核塌陷超新星的計算機模擬,顯示物質轉化為夸克物質,產生重力波和中微子信號重力波訊號。其中部分計算在中大中央研究計算集群上運行。