引力波能让我们在恒星内部看到超新星

【博科园-科学科普】2016年2月11日激光干涉引力波天文台(LIGO)的科学家们宣布了首次发现引力波。这一发展证实了一个世纪前爱因斯坦的广义相对论的预言，为宇宙学家和天体物理学家开辟了新的研究途径。从那时起已经有了更多的探测，所有这些都被认为是黑洞合并的结果。

超新星1987A周围物质的艺术的概念图。图片版权：ESO/L. Calçada

然而根据来自格拉斯哥和亚利桑那州的一组天文学家的说法：天文学家不需要限制自己探测由大规模重力合并引起的涟漪。根据他们最近发表的一项研究，先进的LIGO,GEO 600和处女座的重力波探测器网络也可以探测到超新星产生的引力波。这样一来天文学家们就能第一次看到坍缩的恒星的心脏了。

这项名为“通过三维重力波模拟推断核心坍塌的超新星爆炸机制”的研究最近在网上发表。由杰德·鲍威尔(Jade Powell)领导，她最近在格拉斯哥大学(University of Glasgow)的重力研究学院(Institute for重力Research)完成了博士学位。该研究小组认为，目前的引力波实验应该能够探测出由核心坍塌超新星(CSNe)产生的涟漪。

也就是所谓的II型超新星，CCSNe是当一颗巨大的恒星到达其生命周期的末端，并经历快速坍缩时所发生的事情。这引发了一场巨大的爆炸，从恒星的外层爆炸，留下一颗剩余的中子星，最终可能变成一个黑洞。为了让一颗恒星经历这样的坍塌，它必须至少是太阳质量的8倍(但不超过40到50倍)。

当这些类型的超新星发生时，人们相信核心转移中产生的中微子是由核心坍缩到恒星较冷的外层区域的。鲍威尔博士和她的同事们认为利用当前和未来的仪器可以探测到这种引力。

正如他们在研究中解释的那样：

虽然目前还没有被引力波探测器探测到CCSNe，但以前的研究表明一个先进的探测器网络可能对这些源对大麦哲伦云(LMC)敏感。一个CCSN将是一个理想的多信使源，阿里戈和阿德作为中微子和电磁对应的信号将被期望。引力波是从CCSNe的核心内部发射出来的，它可以让天体物理参数，如状态方程(EOS)从引力波信号的重建中得到测量。

鲍威尔博士和她还在他们的研究中提出了一个可以使用超新星模型取证器(SMEE)来实现的程序。然后研究人员利用重力波核坍塌超新星的最新三维模型进行模拟，以确定是否可以消除背景噪音，并适当检测出CCSNe信号。

超新星模型证据提取器(SMEE)是我们用来确定超新星爆炸所需能量的一种算法。它使用贝叶斯统计数据来区分不同的可能的爆炸模型。我们在论文中所考虑的第一个模型是爆炸能量来自于恒星发出的中微子。在第二个模型中爆炸能量来自快速旋转和极强的磁场。

从这一点上研究小组得出结论，在一个3个探测器的网络中，研究人员可以根据他们的距离正确地确定快速旋转超新星的爆炸力学。在10kiloparsecs(32,615光年)的距离上，他们能够以100%的准确度检测出CCSNe的信号，并在2kiloparsecs(6,523光年)发出信号，准确率达95%。

换句话说如果超新星发生在当地的星系中，由先进的LIGO所形成的全球网络，室女座和GEO 600引力波探测器将会有很好的机会去捕捉它。对这些信号的检测也将允许一些突破性的科学，使科学家们第一次“看到”爆炸的恒星内部。

引力波是从恒星的深处发出的，那里没有电磁辐射可以逃逸。这使得引力波探测可以告诉我们关于爆炸机理的信息，而这些信息不能用其他方法来确定。我们也可以确定其他参数，比如恒星旋转的速度。

当黑洞螺旋向外的时候插图显示两个黑洞和引力波的合并。图片版权：LIGO/T. Pyle

鲍威尔博士最近完成了她的博士学位，她还将在澳大利亚斯温伯恩大学(University of Swinburne)主持的“引力波”项目中担任博士后的职位。与此同时她和她的同事们将在第一次和几秒钟的高级探测器观测中对超新星进行搜索。

虽然目前还没有任何保证，但他们会发现这些广受欢迎的信号，表明超新星是可以探测到的，但这个团队有很高的希望。考虑到这项研究对天体物理学和天文学的可能性他们并不孤单！

参考：arXiv