在一项开创性的研究中，研究人员朝着了解恒星爆炸如何帮助揭示中微子--神秘的亚原子粒子--如何秘密地与自身相互作用的方向迈出了重要的一步。中微子是人们不太了解的基本粒子之一，它很少与正常物质发生相互作用，而是以近乎光速的速度在物质中隐形穿行。这些幽灵般的粒子数量超过了宇宙中所有的原子，并不断无害地穿过我们的身体。然而，由于它们质量小且不带电荷，探测和研究它们非常困难。

用超新星揭开中微子之谜

现在，俄亥俄州立大学的研究人员在 8 月 15 日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上的一项研究中，建立了一个新的框架，详细说明了超新星--预示着恒星坍缩死亡的大爆炸--如何被用作研究中微子自我相互作用如何导致宇宙发生巨大变化的有力工具。

这项研究的第一作者、俄亥俄州立大学物理学研究生张宝文说："中微子与典型物质的相互作用率非常小，因此很难探测到它们，也很难测试它们的任何特性。这就是为什么我们必须利用天体物理学和宇宙学来发现它们的有趣现象。"

中微子被认为对早期宇宙的形成非常重要，尽管科学家们已经了解到中微子的来源有很多，比如核反应堆或垂死恒星的内部，但中微子仍然让科学家们感到困惑。但是，通过计算中微子的自我相互作用将如何影响来自超新星1987A（现代观测到的最近的超新星）的中微子信号，研究人员发现，当中微子确实与自身相互作用时，它们会形成一种紧密耦合的流体，这种流体会在相对论流体力学下膨胀，相对论流体力学是物理学的一个分支，研究流体如何以两种不同的方式之一对固体物体产生影响。

中微子外流理论

在所谓的"爆裂外流"情况下，研究人员的理论是，就像在太空真空中打开一个高度加压的气球会向外推送能量一样，爆裂产生的中微子流体会向各个方向运动。第二种情况被描述为"风外流"，想象一个有许多喷嘴的高度增压气球，中微子以更恒定的流速逸出，类似于稳定风的喷射。

虽然风外流理论更有可能发生在自然界中，但如果爆发的情况得以实现，科学家们就能看到从超新星发射出的新的可观测中微子特征，从而对中微子自相互作用产生前所未有的敏感性。

了解这些机制如此重要的原因之一是，如果中微子是作为一种流体在行动，那就意味着它们是作为一个集体在一起行动。如果中微子作为一个集体的特性与单独个体不同，那么超新星的物理特性也会发生变化。但是，这些变化究竟是仅由爆发情况还是外流情况引起的，还有待观察。

挑战与未来展望

超新星的动力学是复杂的，但这一结果是有希望的，因为通过相对论流体力学，我们知道在理解超新星如何工作的道路上有一个岔路口。不过，科学家们还需要做进一步的研究，才能排除超新星内部也发生爆发的可能性。

然而，尽管还存在不确定性，这项研究在回答中微子从超新星喷出时究竟如何散射这一存在了几十年之久的天体物理学问题上仍是一个巨大的里程碑，该研究的合著者、俄亥俄州立大学物理学和天文学教授约翰-比科姆（John Beacom）说。这项研究发现，在爆发的情况下，即使使用来自 SN 1987A 的稀少中微子数据和保守的分析假设，也有可能对中微子自相互作用产生前所未有的敏感性。

比科姆说："35年来，这个问题基本上一直没有得到解决。"因此，尽管我们无法彻底解决中微子如何影响超新星的问题，但我们感到兴奋的是，我们能够向前迈出实质性的一步。"

接下来，研究小组希望他们的工作能成为进一步研究中微子自相互作用的垫脚石。然而，由于银河系每个世纪只发生两三次超新星，研究人员很可能要再等几十年才能收集到足够多的新中微子数据来证明他们的想法。

张说："我们一直在祈祷另一颗银河系超新星能尽快在某个地方发生，但我们能做的最好的事情就是在它发生之前，尽可能地在我们已知的基础上再接再厉。"