摘要：宾夕法尼亚州立大学和田纳西大学诺克斯维尔分校的研究团队对中子星合并进行了新的模拟，结果表明，能够不受干扰地传播天文距离的微小粒子——中微子的混合和变化会影响合并的进展方式及其产生的辐射。研究人员表示，这些发现对于解答长期以来关于金属和稀土元素起源的问题以及理解

宾夕法尼亚州立大学

两颗中子星（坍缩恒星的极其致密的残余物）的碰撞和合并是宇宙中最剧烈的事件之一，会产生各种可以在地球上观测到的信号。

宾夕法尼亚州立大学和田纳西大学诺克斯维尔分校的研究团队对中子星合并进行了新的模拟，结果表明，能够不受干扰地传播天文距离的微小粒子——中微子的混合和变化会影响合并的进展方式及其产生的辐射。研究人员表示，这些发现对于解答长期以来关于金属和稀土元素起源的问题以及理解极端环境下的物理学具有重要意义。

这篇发表在《物理评论快报》上的论文首次模拟了中子星并合过程中中微子“味道”的变化。中微子是与其他物质相互作用较弱的基本粒子，有三种“味道”，分别以它们所关联的其他粒子命名：电子、μ子和τ子。在特定条件下，包括在中子星内部，中微子理论上可以改变“味道”，从而改变与其相互作用的粒子类型。

“之前对双中子星合并的模拟并没有包括中微子味道的转变，”宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院物理学研究生、论文第一作者易秋说。

“部分原因是这个过程发生在纳秒的时间尺度上，很难捕捉，部分原因是直到最近，我们对这些转变背后的理论物理还不够了解，这超出了物理学的标准模型。

“在我们的新模拟中，我们发现中微子混合和转化的程度和位置会影响合并后喷射出的物质、合并后剩余物质的结构和组成以及周围的物质。”

研究人员从头构建了一个中子星合并的计算机模拟，其中融合了多种物理过程，包括引力、广义相对论、流体力学和中微子混合。他们还考虑了电子味中微子向μ子味中微子的转变，研究人员表示，这是该环境中最相关的中微子转变。他们模拟了几种场景，改变了混合的时间和位置以及周围物质的密度。

研究人员发现，所有这些因素都影响了合并遗迹的成分和结构，包括合并过程中产生的元素种类和数量。在碰撞过程中，中子星中的中子可以发射到碎片中的其他原子上，这些原子可以捕获中子，最终衰变成更重的元素，例如金和铂等重金属，以及地球上用于智能手机、电动汽车电池和其他设备的稀土元素。

“中微子的味道会改变它与其他物质的相互作用，”宾夕法尼亚州立大学埃伯利科学学院克纳尔早期职业物理学教授、天文学和天体物理学副教授、论文作者戴维·拉迪斯（David Radice）说道。“电子型中微子可以将中子（原子的三个基本组成部分之一）转化为另外两个组成部分：质子和电子。但μ子型中微子无法做到这一点。”

因此，中微子味的转换可以改变系统中可用的中子数量，这直接影响重金属和稀土元素的生成。关于这些重要元素的宇宙起源，仍有许多悬而未决的问题，我们发现，考虑中微子混合可以使元素产量增加多达10倍。

合并过程中的中微子混合也影响了合并过程中喷出的物质的数量和成分，研究人员表示，这可能会改变地球上可探测到的辐射。这些辐射通常包括引力波（时空涟漪）以及X射线或伽马射线等电磁辐射。

“在我们的模拟中，中微子混合影响了中子星合并产生的电磁辐射，甚至可能影响了引力波，”拉迪斯说。

借助 LIGO、Virgo 和 KAGRA 等尖端探测器，以及拟定于 2030 年代投入运行的宇宙探索者天文台等下一代探测器，天文学家将能够比以往更频繁地探测到引力波。更好地理解中子星合并如何产生这些辐射，将有助于我们解读未来的观测结果。

研究人员表示，模拟混合过程就像一个倒置的钟摆。最初，许多变化在极短的时间内发生，但最终钟摆会稳定下来，达到平衡状态。但他们表示，其中大部分都只是假设。

“关于这些中微子转变的理论物理，我们还有很多未知之处，”邱教授说道。“随着理论粒子物理学的不断进步，我们可以极大地改进我们的模拟。目前尚不确定的是，这些转变在中子星并合中发生的位置和方式。我们目前的理解表明，它们很可能会发生，而且我们的模拟表明，如果它们发生，可能会产生重大影响，因此将它们纳入未来的模型和分析中至关重要。”

既然这些复杂模拟的基础设施已经建立，研究人员表示，他们预计其他团体将使用该技术继续探索中微子混合的影响。

拉迪斯说：“中子星合并就像宇宙实验室一样，为我们无法在地球上安全复制的极端物理学提供了重要的见解。”

除了邱和拉迪斯之外，研究团队还包括宾夕法尼亚州立大学引力与宇宙研究所的博士后学者 Maitraya Bhattacharyya 和田纳西大学诺克斯维尔分校的 Sherwood Richers。

来源：丽丽说科学