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一颗20倍太阳质量的恒星走到生命尽头时,是轰轰烈烈地炸开,还是悄无声息地塌成黑洞

一颗20倍太阳质量的恒星走到生命尽头时,是轰轰烈烈地炸开,还是悄无声息地塌成黑洞,可能取决于宇宙里最不起眼的一种粒子。

这种粒子叫中微子,外号“幽灵粒子”。它几乎不和任何东西发生反应,此刻你的每个指甲盖,每秒都有约600亿个来自太阳的中微子穿过,你毫无察觉。它们穿过整个地球,也跟穿过一层空气差不多。

丹麦哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的一项新研究发现,中微子在恒星内部飞行时会“变身”,而这个变身的时机和位置,足以改写一大批恒星的结局。研究发表在《物理评论D》(Physical Review D)上。

一颗质量超过太阳8倍左右的恒星,一辈子都在核心里烧核燃料,从氢一路烧到铁。烧到铁就烧不下去了,铁核再聚变不会放出能量,核心失去支撑,在不到1秒的时间里向内坍缩。

坍缩把核心压到原子核那么致密,物质撞上这块硬核后反弹,形成一道向外冲的激波。按说激波一路冲出去,恒星就炸了。可实际上,激波往往冲到半路就停下来,被外层源源不断往下掉的物质压住。

这时候,中微子登场了。

坍缩释放的能量,99%都被中微子带走。它们从滚烫的核心里一拥而出,数量多到难以想象。只要其中大约1%的能量被激波后方的气体吸收,就像给快熄灭的炉子猛吹一口气,激波就能重新推起来,把恒星外层炸飞,留下一颗中子星。这就是天文学家看到的超新星。

如果这口气没吹上,外层物质继续往下掉,核心越压越重,最终塌成黑洞。整颗恒星可能连一次像样的爆炸都没有,就直接从天上消失了。

哪些恒星会炸,哪些会塌,这是天体物理学至今没有答案的大问题之一。

中微子的“变身”,就藏在这口气里。

中微子分3种,物理学家管它们叫3种“味”:电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。这里的“味”跟味道没关系,只是个名字。关键在于,不同味的中微子和物质打交道的方式不一样。在垂死恒星的核心附近,最容易被气体吸收、把能量交出去的,主要是电子味的那一类。

中微子还有个古怪的本事,飞着飞着就会换味,从一种变成另一种。物理学家早就知道这件事,却一直默认它不影响爆炸的成败,因为把换味算进恒星爆炸的模拟里,计算量实在太大。

论文第二作者、尼尔斯·玻尔研究所教授伊雷妮·坦博拉(Irene Tamborra)说:“模拟一颗大质量恒星的死亡,差不多已经是我们现有计算能力的极限。这个问题牵涉的物理太多,计算代价极其高昂。”

于是,她和论文第一作者、该所博士后玛丽亚姆·戈吉拉什维利(Mariam Gogilashvili)搭了一个简化模型,专门看换味这一件事有多大影响。

她们一口气模拟了195颗恒星的死亡,质量从太阳的9倍到120倍不等。每颗恒星都算两遍,一遍带换味,一遍不带,还让换味在恒星内部不同密度的位置发生,看结果怎么变。

结果,一整片恒星翻了盘。

质量在太阳16倍到30倍之间的那一段最敏感。不考虑换味时,它们中的许多本该炸成超新星。一旦加上换味,它们纷纷哑火,直接走向黑洞。

戈吉拉什维利回忆那一刻:“我们把195次模拟并排摆在一起,看到一大片恒星从爆炸翻转成失败,那真的非常激动人心。”在她看来,这么多恒星呈现出这么清晰的规律,说明换味再也不能被排除在恒星死亡的模型之外。

这个结果可能顺手解释一个困扰天文学家多年的谜题。

按理论模型推算,宇宙里应该有很多超新星,可实际观测到的明显少了一截,这被称为“超新星发生率问题”。

超新星能被看见,是因为它爆炸时亮得惊人。可如果一颗恒星没有爆炸,直接塌成了黑洞,或者爆炸被尘埃挡住,它就从望远镜的统计里“消失”了。戈吉拉什维利说,她们的结果指出了一种机制,能让这种失败的超新星变得更常见。

也就是说,那些对不上账的超新星可能从没亮起来过。一部分本该炸开的恒星,因为中微子在关键位置换了身份,把最后那口气吹歪了。

当然,这只是一个简化模型给出的方向。换味具体在哪里发生、发生得多彻底,还要更精细的模拟来检验。

哪颗恒星炸、哪颗塌,还牵连着每个人身上的原子。

大质量恒星一生会在体内锻造出各种重元素,只有炸成超新星,这些元素才会被抛进太空,日后参与形成新的行星,乃至生命。一颗悄悄塌成黑洞的恒星,会把这些元素一并吞进去。

人体里的钙和氧,有相当一部分就来自远古那些成功炸开的恒星。而一颗恒星炸不炸,如今看来,要看中微子在它心脏里有没有变味。

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图为韦布空间望远镜近红外相机(NIRCam)拍摄的仙后座A超新星遗迹高清图像,可见不断膨胀的物质壳层正撞上恒星爆炸前抛出的气体,图源:NASA, ESA, CSA, STScI, Danny Milisavljevic (Purdue University), Ilse De Looze (UGhent), Tea Temim (Princeton University)

信源:University of Copenhagen. "Supernova or Black Hole: Neutrino 'Flavor' May Determine the Fate of Dying Stars." Phys.org, edited by Swati Mestri, 24 Sept. 2026