中微子天文学-CUHK.PDF

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中微子天文学-CUHK

中微子天文學 朱明中香港中文大學物理系 當你看著一顆星星時,有沒有想過物理學家竟從那一點星光發掘出大量資料,有 點不可思議?幾百年以來的天文學,建構於點點星光!這些星光,都是從星體表 面發出,我們無法從星光窺見星球的內部(圖一、二)。那麼,當物理學家告訴 我們,恆星藉著內部的核融合反應發光發熱,究竟有甚麼憑據? 天文學家「看穿」星球的方法有兩個﹕探測星球的振動,以及核反應產生的中微 子。篇輻所限,本文只簡略介紹後者-中微子天文學。 中微子 (neutrino)是基本粒子之一,它不帶電荷,質量極小,只參予弱作用及重力, 與任何物質只有極微弱的相互作用,因此穿透力極高。平均每一百萬粒太陽中微 子穿越地球只有一粒有反應,整個地球竟像「透明」一樣!從太陽核心放射的 中微子,絕大部份可以穿越整個太陽,散播宇宙四方。太陽每秒鐘產生約 2x1038 粒中微子。在你閱讀這篇文章時,已有超過 1015 粒中微子穿透你的身體! 太陽如何產生中微子?在主序星階段,恆星內部不斷把四粒氫原子核(即質子) 融合成一顆氦原子核。質子帶正電荷,互相排斥。當兩粒質子接近時,若其中一 粒質子通過弱作用變成中子( p →n +e + +υ) ,那就可以和另外一粒質子結合,釋 放能量。這過程產生正電子及中微子,它們是太陽內部核融合反應的印記。 另一個中微子源,是垂死的星球。當恆星內部核燃料消耗殆盡,它變得不穩定。 質量比太陽還要大幾倍的恆星,會經歷猛烈的爆炸,成為超新星(圖三)。爆炸 時各種核反應大量製造中微子,它們帶走很多能量,甚至遠高於光與熱,對超新 星的機制有重大影響。超新星爆炸後可能會剩下一個細小但密度很高的星球,稱 為中子星1 ,亦是很強的中微子源。中微子放射令中子星冷卻,其速率受中子星 物質影響。因此我們或可利用中微子窺探這些細小星體的祕密。 說起爆炸,最猛烈的應是約一百三十七億年前的宇宙大爆炸了。大爆炸製造大量 中微子,充斥整個宇宙。估計每立方公分約有三百粒大爆炸產生的中微子,它們 在宇宙結構的形成、物質–反物質不對稱性等重要宇宙學課題,可能擔當重要的 角色。若能探測到這些「宇宙背景中微子」,我們便可以得到宇宙初開後約一秒 鐘的資料,那將是何等令人興奮! 中微子物理是當今基礎研究的一個熱點。香港中文大學及香港大學物理系的師 1中子星是一顆大部份物質為中子的星球。近年亦有理論認為一部分中子星可能由夸克組成,稱 為奇異星。 2 生,亦積極參予中微子研究工作,包括中微子天文物理以及實驗等 。 中微子將成為人類探索宇宙的另一重要工具。可預期中微子天文學的發展,將帶 來更多的新知,以及新疑問。 紅 紫 參宿四 天狼星 織女星 23/10/2003 8am HKT 圖一 即使近如太陽,我們亦不能 籍著陽光看到它的「內涵」。除 金星 了光,太陽亦放射大量中微子, 圖二 光譜﹕天文學主要工具,但只 由核心穿透整個太陽。照片為筆 反映星球表面狀況。光譜由香港中文 者所拍。 大學物理系李詠傑同學拍攝。 圖三 超新星殘骸 N63A, 相信為一顆五十倍太陽質量的恆星爆炸所遺 留。照片由美國天文學家 Y.-H. Chu及 R.M. Williams利用哈勃太空望遠 鏡攝得。Photo Credit: NASA/STScI, Y.-H. Chu and R. M. Williams, UIUC. 2詳情可參考 .hk/

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