在一項開創性的研究中，研究人員朝著了解恆星爆炸如何幫助揭示中微子–神秘的亞原子粒子–如何秘密地與自身相互作用的方向邁出了重要的一步。中微子是人們不太了解的基本粒子之一，它很少與正常物質發生相互作用，而是以近乎光速的速度在物質中隱形穿行。這些幽靈般的粒子數量超過了宇宙中所有的原子，並不斷無害地穿過我們的身體。然而，由於它們質量小且不帶電荷，探測和研究它們非常困難。

用超新星揭開中微子之謎

現在，俄亥俄州立大學的研究人員在8 月15 日發表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）雜誌上的一項研究中，建立了一個新的框架，詳細說明了超新星–預示著恆星坍縮死亡的大爆炸–如何被用作研究中微子自我相互作用如何導致宇宙發生巨大變化的有力工具。

這項研究的第一作者、俄亥俄州立大學物理學研究生張寶文說：”中微子與典型物質的相互作用率非常小，因此很難探測到它們，也很難測試它們的任何特性。這就是為什麼我們必須利用天體物理學和宇宙學來發現它們的有趣現象。”

中微子被認為對早期宇宙的形成非常重要，儘管科學家們已經了解到中微子的來源有很多，比如核反應堆或垂死恆星的內部，但中微子仍然讓科學家們感到困惑。但是，通過計算中微子的自我相互作用將如何影響來自超新星1987A（現代觀測到的最近的超新星）的中微子信號，研究人員發現，當中微子確實與自身相互作用時，它們會形成一種緊密耦合的流體，這種流體會在相對論流體力學下膨脹，相對論流體力學是物理學的一個分支，研究流體如何以兩種不同的方式之一對固體物體產生影響。

中微子外流理論

在所謂的”爆裂外流”情況下，研究人員的理論是，就像在太空真空中打開一個高度加壓的氣球會向外推送能量一樣，爆裂產生的中微子流體會向各個方向運動。第二種情況被描述為”風外流”，想像一個有許多噴嘴的高度增壓氣球，中微子以更恆定的流速逸出，類似於穩定風的噴射。

雖然風外流理論更有可能發生在自然界中，但如果爆發的情況得以實現，科學家們就能看到從超新星發射出的新的可觀測中微子特徵，從而對中微子自相互作用產生前所未有的敏感性。

了解這些機制如此重要的原因之一是，如果中微子是作為一種流體在行動，那就意味著它們是作為一個集體在一起行動。如果中微子作為一個集體的特性與單獨個體不同，那麼超新星的物理特性也會發生變化。但是，這些變化究竟是僅由爆發情況還是外流情況引起的，還有待觀察。

挑戰與未來展望

超新星的動力學是複雜的，但這一結果是有希望的，因為通過相對論流體力學，我們知道在理解超新星如何工作的道路上有一個岔路口。不過，科學家們還需要做進一步的研究，才能排除超新星內部也發生爆發的可能性。

然而，儘管還存在不確定性，這項研究在回答中微子從超新星噴出時究竟如何散射這一存在了幾十年之久的天體物理學問題上仍是一個巨大的里程碑，該研究的合著者、俄亥俄州立大學物理學和天文學教授約翰-比科姆（John Beacom）說。這項研究發現，在爆發的情況下，即使使用來自SN 1987A 的稀少中微子數據和保守的分析假設，也有可能對中微子自相互作用產生前所未有的敏感性。

比科姆說：”35年來，這個問題基本上一直沒有得到解決。”因此，儘管我們無法徹底解決中微子如何影響超新星的問題，但我們感到興奮的是，我們能夠向前邁出實質性的一步。”

接下來，研究小組希望他們的工作能成為進一步研究中微子自相互作用的墊腳石。然而，由於銀河系每個世紀只發生兩三次超新星，研究人員很可能要再等幾十年才能收集到足夠多的新中微子數據來證明他們的想法。

張說：”我們一直在祈禱另一顆銀河系超新星能盡快在某個地方發生，但我們能做的最好的事情就是在它發生之前，盡可能地在我們已知的基礎上再接再厲。”