天文学家通过分析引力波揭开中子星合并的热能秘密

天文学家通过分析引力波揭开中子星合并的热能秘密当两颗中子星相互绕行时，它们会在时空中释放出称为引力波的涟漪。这些涟漪会消耗轨道的能量，直到两颗恒星最终相撞并合并成一个天体。科学家们利用超级计算机模拟探索了不同核物质模型的行为如何影响这些合并后释放的引力波。他们发现，残余物的温度与这些引力波的频率之间存在很强的相关性。下一代探测器将能够区分这些模型。中子星合并后约5毫秒，从上往下看，两种不同模拟中子星合并（上、下）的密度（右）和温度（左）对比图。资料来源：宾夕法尼亚州立大学雅各布-菲尔兹（JacobFields）。科学家利用中子星作为实验室，在地球上无法探测的条件下研究核物质。他们利用目前的引力波探测器来观测中子星合并，了解超密集冷物质的行为方式。然而，这些探测器无法测量恒星合并后的信号。这个信号包含了热核物质的信息。未来的探测器将对这些信号更加敏感。由于它们还能区分不同的模型，这项研究的结果表明，未来的探测器将帮助科学家们建立更好的热核物质模型。这项研究使用THC_M1对中子星合并进行了研究。THC_M1是一种模拟中子星合并的计算机代码，它考虑到了恒星强大引力场造成的时空弯曲以及致密物质中的中微子过程。研究人员通过改变状态方程中的比热容来测试热效应对合并的影响，比热容用于测量中子星物质温度上升一度所需的能量。为了确保结果的稳健性，研究人员以两种分辨率进行了模拟。他们用更近似的中微子处理方法重复了更高分辨率的运行。参考文献《双中子星合并中的热效应》，作者：JacobFields、AviralPrakash、MatteoBreschi、DavidRadice、SebastianoBernuzzi和AndrédaSilvaSchneider，2023年7月31日，《天体物理学杂志通讯》。DOI:10.3847/2041-8213/ace5b2《低三动量传递时中子-碳相互作用中核效应的识别》，2016年2月17日前，《物理评论快报》。DOI:10.1103/PhysRevLett.116.071802这项工作使用了宾夕法尼亚州立大学国家能源研究科学计算中心、匹兹堡超级计算中心和计算与数据科学研究所提供的计算资源。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1404551.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1404551.htm

暗光子：揭开暗物质之谜的关键？

暗光子：揭开暗物质之谜的关键？在阿德莱德大学专家的带领下，一个国际研究小组在探索暗物质本质的过程中发现了更多线索。"暗物质占宇宙物质的84%，但我们对它知之甚少，"阿德莱德大学物理长老教授安东尼-托马斯教授表示："暗物质的存在已经从它的引力相互作用中得到了确凿的证明，然而，尽管全世界的物理学家都在竭尽全力，它的精确性质仍然让我们难以捉摸。理解这一谜团的关键可能在于暗光子，它是一种理论上的大质量粒子，可能是粒子暗区与常规物质之间的门户。"我们和我们的物理世界都是由普通物质构成的，但普通物质的数量远远少于暗物质：暗物质的数量是普通物质的五倍。寻找更多关于暗物质的信息是全世界物理学家面临的最大挑战之一。暗光子是一种假想的隐藏扇形粒子，被认为是一种类似于电磁学光子的力载体，但可能与暗物质有关。澳大利亚研究理事会（ARC）暗物质粒子物理卓越中心的成员托马斯教授及其同事马丁-怀特教授、王宣工博士和尼古拉斯-亨特-史密斯等科学家正在对现有的暗物质理论进行测试，以便获得更多有关这种难以捉摸但非常重要的物质的线索。托马斯教授说："在我们的最新研究中，我们研究了暗光子可能对深度非弹性散射过程的整套实验结果产生的潜在影响。对加速到极高能量的粒子碰撞的副产物进行分析，为科学家们提供了亚原子世界的结构及其自然规律的有力证据。在粒子物理学中，深度非弹性散射是用来利用电子、μ介子和中微子探测强子（特别是重子，如质子和中子）内部的过程的名称。我们利用了最先进的杰斐逊实验室角动量（JAM）部分子分布函数全局分析框架，修改了基础理论，以考虑暗光子的可能性。我们的工作表明，暗光子假说优于标准模型假说，其显著性为6.5西格玛，这构成了粒子发现的证据。"该研究小组包括来自阿德莱德大学的科学家和美国弗吉尼亚杰斐逊实验室的同事，他们在《高能物理杂志》（JournalofHighEnergyPhysics）上发表了自己的研究成果。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1385001.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1385001.htm

科学家们探测到了中子星与潜在黑洞在质量缝隙中碰撞产生的引力波

科学家们探测到了中子星与潜在黑洞在质量缝隙中碰撞产生的引力波低质量间隙黑洞（深灰色表面）与中子星的凝聚与合并，颜色从深蓝色（每立方厘米60克）到白色（每立方厘米600千克）不等，凸显了中子星低密度物质的强烈变形。资料来源：I.Markin（波茨坦大学）、T.Dietrich（波茨坦大学和马克斯-普朗克引力物理研究所）、H.Pfeiffer、A.Buonanno（马克斯-普朗克引力物理研究所）。2023年5月，就在LIGO-Virgo-KAGRA第四次观测运行开始后不久，位于美国路易斯安那州的LIGO利文斯顿探测器观测到了一个引力波信号，该信号来自于很可能是一颗中子星与一个质量为太阳2.5至4.5倍的紧凑天体的碰撞。中子星和黑洞都是紧凑型天体，是大质量恒星爆炸后的致密残余物。这个名为GW230529的信号之所以引人入胜，是因为它的质量较大。它处于已知最重的中子星和最轻的黑洞之间可能存在的质量差距之内。引力波信号本身并不能揭示这个天体的性质。未来对类似事件的探测，特别是那些伴随着电磁辐射爆发的事件，可能有助于解决这个问题。不列颠哥伦比亚大学助理教授、LIGO科学合作组织副发言人杰斯-麦基弗博士（Dr.JessMcIver）说："这次探测是我们从第四次LIGO-Virgo-KAGRA观测运行中获得的第一个令人兴奋的结果，它揭示了中子星和低质量黑洞之间的类似碰撞的发生率可能比我们之前想象的要高。"由于只有一个引力波探测器看到了这一事件，因此评估它是否真实变得更加困难。这幅图像显示了低质量间隙黑洞（深灰色表面）与中子星的合并，颜色从深橙色（每立方厘米100万吨）到白色（每立方厘米6亿吨）不等。引力波信号用一组正偏振的应变振幅值表示，颜色从深蓝色到青色不等。资料来源：I.Markin（波茨坦大学）、T.Dietrich（波茨坦大学和马克斯-普朗克引力物理研究所）、H.Pfeiffer、A.Buonanno（马克斯-普朗克引力物理研究所）。检测技术的进步ICG的研究软件工程师GarethCabournDavies博士开发了用于在单个探测器中搜索事件的工具。他说"通过在多个探测器中看到事件来证实事件是我们从噪声中分离信号的最强大工具之一。通过使用适当的背景噪声模型，即使在没有其他探测器支持我们所看到的情况下，我们也能判断出一个事件"。在2015年探测到引力波之前，恒星质量黑洞的质量主要是通过X射线观测发现的，而中子星的质量则是通过无线电观测发现的。由此得出的测量结果分为两个截然不同的范围，两者之间的差距约为太阳质量的2到5倍。多年来，有少量测量结果蚕食了这一质量差距，天体物理学家对此仍有很大争议。最新研究结果的影响对GW230529信号的分析表明，它来自两个紧凑型天体的合并，其中一个天体的质量是太阳质量的1.2到2.0倍，另一个天体的质量是太阳质量的两倍多一点。虽然引力波信号没有提供足够的信息来确定这些紧凑的天体是中子星还是黑洞，但看起来较轻的天体很可能是中子星，而较重的天体则是黑洞。LIGO-Virgo-KAGRA合作组织的科学家们确信，较重的天体就在质量差距之内。引力波观测现在已经提供了近200个紧凑天体质量的测量值。其中，只有一次并合可能涉及质量鸿沟紧凑天体--GW190814信号来自黑洞与一个紧凑天体的并合，该天体的质量超过了已知最重的中子星，而且可能在质量鸿沟之内。来自美国西北大学的SylviaBiscoveanu博士说："虽然之前已经报道过引力波和电磁波中存在质量间隙天体的证据，但这个系统尤其令人兴奋，因为它是首次引力波探测到与中子星配对的质量间隙天体。对这一系统的观测对双星演化理论和紧凑天体合并的电磁对应理论都有重要意义"。正在进行和未来的观察第四次观测运行计划持续20个月，其中包括几个月的间歇期，以便对探测器进行维护并进行一些必要的改进。截至2024年1月16日，也就是当前的间歇期开始时，总共发现了81个重要的候选信号。GW230529是经过详细调查后公布的第一个候选信号。第四次观测运行将于2024年4月10日恢复，LIGOHanford、LIGOLivingston和Virgo探测器将同时运行。观测运行将持续到2025年2月，不会再有中断观测的计划。在观测运行继续进行的同时，LIGO-Virgo-KAGRA的研究人员正在分析运行前半段的数据，并检查已经确定的其余80个重要候选信号。到2025年2月第四次观测运行结束时，观测到的引力波信号总数将超过200个。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427286.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1427286.htm

宇宙发光猎手：脉冲星之光能否揭开暗物质的神秘面纱？

宇宙发光猎手：脉冲星之光能否揭开暗物质的神秘面纱？目前寻找暗物质的核心问题是：暗物质是由什么构成的？一个可能的答案是，暗物质由被称为轴子的粒子组成。阿姆斯特丹大学和普林斯顿大学的天体物理学家最近的研究提出，如果暗物质确实是由轴子构成的，那么它可能会以脉动恒星发出的微弱额外光辉的形式显现出来。暗物质可能是我们宇宙中最炙手可热的成分。令人惊讶的是，这种神秘的物质形式，物理学家和天文学家迄今为止还未能探测到，但却被认为占了宇宙物质的很大一部分。宇宙中不少于85%的物质被怀疑是"暗物质"，目前只能通过它对其他天文物体产生的引力来察觉。科学家们想要更多，这是可以理解的。他们想真正看到暗物质--或者至少直接探测到它的存在，而不只是从引力效应中推断。当然，他们还想知道暗物质是什么。解决两个问题有一点很清楚：暗物质不可能是你我由同一种物质构成的。如果是这样的话，暗物质的行为就会像普通物质一样--它会形成像恒星一样的物体，发光，不再是"暗"的。因此，科学家们正在寻找一种新的东西--一种尚未被人探测到的粒子，它很可能只与我们已知的粒子类型发生非常微弱的相互作用，这也解释了为什么我们世界的这一组成部分至今仍难以捉摸。我们有很多线索可以寻找。一种流行的假设是，暗物质可能是由轴子构成的。这种假想的粒子类型最早出现在20世纪70年代，是为了解决一个与暗物质无关的问题。作为普通原子的组成部分之一，中子内部正负电荷的分离程度出乎意料地小。科学家们当然想知道原因。结果发现，有一种迄今为止尚未发现的粒子与中子的成分发生非常微弱的相互作用，恰恰会产生这种效应。后来的诺贝尔奖得主弗兰克-威尔切克（FrankWilczek）为这种新粒子起了一个名字：轴子--不仅与质子、中子、电子和光子等其他粒子名称相似，而且还受到一种同名洗衣粉的启发。轴子的出现是为了解决一个问题。事实上，尽管从未被探测到，但它可能会解决两个问题。包括弦理论（统一自然界所有力量的主要候选理论之一）在内的几种基本粒子理论似乎都预测可能存在类似轴子的粒子。如果轴子确实存在，它们是否也能构成部分甚至全部缺失的暗物质？也许是的，但困扰所有暗物质研究的另一个问题对轴子同样适用：如果是这样，我们如何才能看到它们？如何让"黑暗"的东西变得可见？照亮暗物质幸运的是，对于轴子来说，似乎有办法解决这个难题。如果预测轴子的理论是正确的，那么它们不仅有望在宇宙中大量产生，而且一些轴子还可能在强电磁场的作用下转化为光。一旦有了光，我们就能看见。这会是探测轴子--进而探测暗物质--的关键吗？要回答这个问题，科学家们首先要问自己，宇宙中已知最强的电场和磁场出现在哪里？答案是：在旋转中子星（又称脉冲星）周围的区域。这些脉冲星--"脉冲星"的简称--是一种致密天体，质量与太阳大致相同，但半径却小了约10万倍，只有约10千米。脉冲星如此之小，却以极高的频率旋转，沿着旋转轴发出明亮的窄射电束。脉冲星的光束就像灯塔一样，可以扫过地球，使人们很容易观测到脉冲星。然而，脉冲星巨大的自转还有更多作用。它把中子星变成了一个极强的电磁铁。这反过来可能意味着脉冲星是非常高效的轴子工厂。一颗普通的脉冲星每秒钟就能产生50位数的轴子。由于脉冲星周围存在强大的电磁场，这些轴子中的一部分可以转化为可观测到的光。也就是说：如果轴子存在的话--但现在可以用这一机制来回答这个问题。只要观察脉冲星，看看它们是否会发出额外的光，如果会，就确定这些额外的光是否可能来自轴子。模拟微妙的光芒在科学领域，要真正进行这样的观测当然没那么简单。轴子发出的光可以用无线电波的形式探测到--只是这些明亮的宇宙灯塔向我们发出的总光的一小部分。我们需要非常精确地知道一颗没有轴子的脉冲星和一颗有轴子的脉冲星是什么样子，才能看出其中的差别--更不用说量化这种差别并将其转化为暗物质数量的测量值了。这正是一组物理学家和天文学家现在所做的。在荷兰、葡萄牙和美国的共同努力下，研究小组构建了一个全面的理论框架，可以详细了解轴子是如何产生的、轴子是如何逃离中子星引力的，以及在逃离过程中轴子是如何转化为低能射电辐射的。然后将这些理论结果放到计算机上，利用最先进的等离子体数值模拟来模拟脉冲星周围轴子的产生，这种模拟最初是为了了解脉冲星如何发射无线电波背后的物理学原理而开发的。一旦虚拟产生，轴子在中子星电磁场中的传播就会被模拟出来。这使得研究人员能够定量地了解无线电波的后续产生，并模拟这一过程如何在脉冲星本身产生的固有发射之外提供额外的无线电信号。检验轴心模型理论和模拟的结果随后接受了第一次观测检验。利用对附近27颗脉冲星的观测，研究人员将观测到的无线电波与模型进行了比较，以确定测量到的任何过量是否能为轴子的存在提供证据。不幸的是，答案是"否"--或者乐观一点说："还没有"。轴子并没有立即出现在我们面前，但也许这并不在我们的预料之中。如果暗物质那么容易泄露秘密，那么它早就被观测到了。因此，我们现在只能寄希望于在未来的观测中发现轴子。与此同时，目前没有观测到轴子发出的无线电信号本身就是一个有趣的结果。模拟脉冲星和实际脉冲星之间的首次比较，为轴子与光的相互作用设定了迄今为止最严格的限制。当然，我们的最终目标不仅仅是设定限制，而是要证明轴子确实存在，或者确保轴子根本不可能是暗物质的组成部分。新成果只是朝着这个方向迈出的第一步；它们只是一个全新的、高度跨学科领域的开端，这个领域有可能极大地推动轴子的研究。参考文献"迪昂-诺德胡斯（DionNoordhuis）、阿尼鲁德-普拉布（AnirudhPrabhu）、塞缪尔-维特（SamuelJ.Witte）、亚历山大-陈（AlexanderY.Chen）、法比奥-克鲁兹（FábioCruz）和克里斯托夫-韦尼格（ChristophWeniger）合著的《脉冲星极冠级联中产生的轴子的新约束》，2023年9月15日，《物理评论快报》。DOI:10.1103/PhysRevLett.131.111004编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1403853.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1403853.htm

科学家用二维凝聚态物理学揭开中子星的秘密

科学家用二维凝聚态物理学揭开中子星的秘密在致密核物质中，夸克“排列”成一维的，对单维度加时间的计算可以追踪低能量激发如何穿过核物质图片来源：布鲁克海文国家实验室核物质（包括构成原子核的质子和中子的夸克和胶子）的行为极其复杂，在我们这个三维世界中尤其如此。来自凝聚态物理学的数学技术仅考虑一个空间维度（加上时间）的相互作用，极大地简化了这一挑战。利用这种二维方法，科学家们解决了描述低能激发如何在致密核物质系统中产生涟漪的复杂方程。这项工作表明，自然界中存在如此致密核物质的中子星中心可能会以一种意想不到的形式来描述。能够理解二维夸克相互作用为理解中子星（宇宙中最稠密的物质形式）打开了一扇新的窗口。这种方法可以帮助推进当前研究这些奇异恒星的“黄金时代”。研究成功的激增是由宇宙中引力波和电磁发射的最新发现引发的。这项工作表明，对于低能量激发，三维夸克相互作用的所有复杂性都会消失。这些低能激发是中子星发射辐射或其自身旋转磁场引发的轻微扰动。这种方法还可以与重离子碰撞中产生的密度较低但温度更高的核物质中的夸克相互作用进行新的比较。现代原子核理论，称为量子色动力学涉及受强核力束缚的夸克，这种由胶子携带的力将夸克限制在核子（质子和中子）中。当核物质的密度增加时，就像中子星内部一样，致密系统的行为更像是夸克团，各个核子之间没有清晰的边界。在这种状态下，系统边缘的夸克仍然受到强力的限制，因为球形系统一侧的夸克与另一侧的夸克相互作用强烈。布鲁克海文国家实验室研究人员的这项工作利用这种强相互作用的一维性质以及时间维度来解决系统边缘附近低能量激发的行为。这些低能量模式就像自由、无质量的玻色子的模式一样——在凝聚态物质中被称为“路廷格液体”。这种方法允许科学家计算任意给定密度下的路廷格液体的参数。它将提高他们探索预计在中子星内极端密度下发生的定性新现象的能力，其中核物质的行为与普通核中的完全不同，并将其与中子星中产生的更热（万亿度）的致密核物质进行比较。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1368165.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1368165.htm

天文学家观察中子星暴力碰撞产生的千新星事件 揭开金和其他重元素的起源

天文学家观察中子星暴力碰撞产生的千新星事件揭开金和其他重元素的起源这幅艺术家的作品展示了两颗中子星碰撞产生的千新星。资料来源：NOIRLab/NSF/AURA/J.daSilva/Spaceengine在《欧洲物理杂志D》（TheEuropeanPhysicalJournalD）发表的一篇新论文中，耶拿亥姆霍兹研究所的博士后研究员安德烈-邦达列夫（AndreyBondarev）、罗马的博士后研究员詹姆斯-吉兰德斯（JamesGillanders）和他们的同事研究了千新星AT2017gfo的光谱，通过寻找其禁止跃迁引起的光谱特征，研究金属的起源。邦达列夫说："我们的研究已经证明，精确的原子数据，特别是对于许多元素都未知的禁用磁偶极子和电四极子跃迁的数据，对于千新星分析非常重要。通过使用线性化耦合簇和构型相互作用相结合的方法计算单电离锡中的大量能级和它们之间的多极跃迁速率，我们生成了一个原子数据集，可用于未来的天体物理分析。"研究小组的研究表明，单电离锡的基态双态电平之间的磁偶极转变导致了千新星发射光谱中一个突出的可观测特征。Gillanders解释说："尽管这与AT2017gfo光谱中的任何突出特征并不匹配，但它仍可用作未来千新星事件的探测器。能够确定的元素越多，我们就越接近于了解这些不可思议的宇宙爆炸"。研究小组指出，千新星事件只是最近才被观测到的现象，2017年才首次获得光谱观测结果。更好的原子数据如本研究提供的数据，对于更好地理解与中子星合并相关的爆炸碰撞至关重要。Gillanders总结说："我们希望我们的工作能以某种方式促进我们对宇宙中最重元素产生过程的理解。我们渴望发现新的千新星和相关的新观测数据，这将使我们能够加深对这些事件的理解。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1373091.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1373091.htm