Warum kommen die Neutrinos (mit Masse) einer Supernova vor dem Licht (ohne Masse) an?

Sowohl Neutrinos als auch Photonen wurden im Kern des Sterns produziert, aber Photonen haben eine viel größere Wahrscheinlichkeit, mit der äußeren Schicht des Sterns zu interagieren, als die Neutrinos. So wurden die Photonen eingefangen, während die Neutrinos leicht entkommen konnten. Das hat nichts mit Masse zu tun, sondern alles mit dem Wechselwirkungsquerschnitt mit Protonen/Elektronen für Photonen einerseits und für Neutrinos andererseits.

Als ich die Antwort von @dmckee las, wurde mir klar, dass die Formulierung des vorherigen Absatzes es so klingen lässt, als ob der Lichtblitz, den wir beobachten, darauf zurückzuführen sein könnte, dass diese Photonen schließlich entkommen. Das habe ich nicht gemeint: Es würde Millionen von Jahren dauern, bis diese Photonen entkommen, wie es für unsere eigene Sonne bekannt ist. Nur weil die äußeren Schichten des Sterns schließlich weggeblasen werden, sehen wir einen Lichtblitz.

Ich hätte auch darauf hinweisen sollen, dass Elektron-Neutrinos nur in den frühen Stadien des Zusammenbruchs von Typ-II-Supernovae entkommen können. Da die Dichte darüber hinaus einige Male zunimmt$10^{11} \text{g}\ \text{cm}^{-3}$reicht die Streuung von Neutrinos an Sternmaterie aus, um die Zeitskala der Diffusion von Neutrinos aus dem Stern kürzer zu machen als die Zeitskala des Kollapses. Dies ist eine Kombination aus zunehmender Dichte (und damit zunehmenden Wechselwirkungen) und beschleunigtem Kollaps. Der auf der Erde gemessene Neutrinoblitz kam also von Anfang an in der Evolution zu einer Supernova.

Lassen Sie mich einige Größenordnungen hinzufügen. Der Querschnitt der Photon-Elektron-Streuung liegt in der Größenordnung von$10^{-24} \text{cm}^2$. Vergleichen Sie dies mit der Neutrino-Nukleon-Streuung. Sie variiert als Quadrat der Neutrinoenergie:

mit der Energie in MeV. Das sind also 20 Größenordnungen, geben oder nehmen.

Woher kommt dieser enorme Unterschied? Neutrinos interagieren ausschließlich durch die schwache Wechselwirkung, während Photonen durch die elektromagnetische Wechselwirkung mit geladenen Kernen und Elektronen im Sternplasma interagieren. Dies ist also nur ein Spiegelbild der relativen Stärke beider Wechselwirkungen. Es gibt keinen Grund, warum es so sein sollte: Es ist einfach so, wie unser Universum ist! Wir wären nicht hier, um diese Angelegenheiten zu diskutieren, wenn es nicht so wäre …

Bei der Supernova geht es nicht um die Fluggeschwindigkeit, sondern um die Entstehungszeit. Ein Typ-IIa-Supernova-Kandidat ist groß , selbst bei der gewaltigen Explosion des Kerns dauert es Stunden, um die Hülle wegzusprengen und die Gewalt im Inneren freizulegen – und erst danach wird der Stern im elektromagnetischen Spektrum heller. Aber die Neutrinos entweichen im Wesentlichen sofort.

Keine exotische Physik erforderlich.

Im Prinzip – mit einem ausreichend guten Modell der Funktionsweise von Supernovas – könnte dies eine Sonde der absoluten Neutrinomasse sein.

Die Allgemeine Relativitätstheorie hat damit nicht viel zu tun.

Die spezielle Relativitätstheorie besagt nicht, dass sich Licht schnell bewegt$c$bedingungslos; das würde dem Experiment widersprechen: Es besagt, dass sich Licht schnell bewegt$c$ im Vakuum . In Glas und Wasser bewegt sich Licht langsamer, weil es mit Materie interagiert. Während das Licht von der Supernova kam, ging es natürlich durch Vakuum: Aber vorher wurde es im Zentrum eines kollabierenden Sterns gebildet und musste seinen Weg durch den Stern finden, der ein Ort ist, der reich an Plasma ist von freien Elektronen und einem Meer von Kernen, das eine ähnliche Verlangsamung verursacht. Verdammt, in unserer Sonne dauert es 171.000 Jahre, bis das erzeugte Licht gestreut wird , obwohl das zugegebenermaßen unelastische Streuung ist und wir darüber wahrscheinlich elastische Streuung berücksichtigen müssen, was den Prozess beschleunigen würde.

Die spezielle Relativitätstheorie besagt auch nicht, dass sich Teilchen mit einer gewissen Maximalgeschwindigkeit bewegen müssen$v_\text{max} < c$. Je mehr Energie in ein Teilchen geleitet wird, desto schneller bewegt es sich, und$c$selbst ist die Geschwindigkeitsbegrenzung. Die relativistische Formel lautet, wenn Sie eine kinetische Energie geben$K$zu einem Teilchen dann$v = c \sqrt{1 - 1/(K/mc^2 - 1)^2},$Das ist ein ziemlich großer Schluck, aber wenn dieses Verhältnis$\kappa = K/mc^2$ist sehr groß wird dies gerade$v\approx c\sqrt{1 - 1/\kappa^2} \approx c~(1 - \frac12 \kappa^{-2}).$Für diese Neutrinos können wir uns kinetische Energien in der keV- oder MeV-Skala vorstellen, während ihre Massen vielleicht auf der eV-Skala liegen – wir kennen die genauen Details nicht, aber diese beiden Zahlen verursachen wahrscheinlich sehr große$\kappa$von vielleicht 100.000 oder mehr, was bedeuten würde, dass diese Dinge zumindest auf Hochtouren gehen$c$minus etwa ein Teil von 5 Milliarden. Bei einer Reise über nur 160.000 Jahre ergibt dies nur etwa 15 Minuten Zeit, nicht genug, um die gesamten drei Stunden zwischen dem Austritt der Neutrinos aus dem Stern und dem endgültigen Austritt des Lichts aufzuheben.