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如何“炸掉”一颗星星


来源:中国科学报

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艺术家构建的超新星1987A概念图 图片来源:ESO

原标题:如何“炸掉”一颗星星

在用了3个月的时间试图“炸毁”一颗恒星后,Hans-Thomas Janka及其团队成员终于看到了他们一直在等待的东西。和全世界大多数耐心的放火狂一样,他们观察着模拟的巨大恒星——以细致入微的方式得以呈现——慢慢趋向爆发。每天,他们的超级计算机仅能记录该恒星生命5毫秒的时间。

不过,坚持自有回报。在该团队此前进行实际模拟的尝试中,这颗恒星的“烟火秀”总是逐渐消失。这一次,Janka观察到驱动爆发所需的冲击波持续增长,同时模拟的恒星变成了超新星。“就在那一刻,我们意识到,20年来梦寐以求的时刻终于到了。”德国马普学会天体物理学研究所理论天体物理学家Janka说,“我们正在走向阐明这些巨大恒星爆发机制的道路。”

半个多世纪以来,物理学家一直怀疑,由在恒星核心处形成的难以捉摸的粒子——中微子产生的热量能生成爆炸。而爆炸在1秒内辐射的能量比太阳整个生命周期产生的都要多。但他们在证明该假设时遇到了麻烦。爆炸过程是如此复杂——包含广义相对论、流体动力学、核和其他物理学,以至于计算机无法模拟该机制。这带来了问题。“如果你无法重现它,就意味着你无法理解它。”Janka表示。

如今,得益于原始计算能力的提升以及在更深入了解恒星物理学机制方面所作的努力,该领域取得了巨大进展。Janka进行的模拟标志着物理学家首次获得最常见超新星类型爆发的真实3D模型。几个月后,一个位于美国橡树岭国家实验室的竞争团队利用更重且更加复杂的恒星重复了这一壮举。目前,该领域发展得风生水起。很多研究人员相信,他们正接近于阐明对产生此类爆发至关重要的因素。

困扰了50年的能量“亏空”问题

当一颗质量是太阳8~40倍的恒星走到生命尽头时,它往往会爆发——释放的能量比1万亿兆个核弹头还多。这些“核塌缩”爆发占到所有超新星的2/3左右。对核塌缩超新星的兴趣始于上世纪50年代末。当时,科学家首次推断出很多化学元素——包括对生命至关重要的大多数元素——在恒星中形成。他们认为,一些最重的元素将在高能且快速进化的超新星“熔炉”中出现。随后,爆发将它们喷出,从而在太空播撒构成恒星和行星系的“原料”。

天体物理学家认为,这些恒星在爆发前会耗尽气体,也就是氢气。由于发生聚变的东西变少,老的恒星不再产生如此多的辐射,其核心也在重力作用下收缩。较轻的元素逐渐融合到较重的元素中,但遇到铁时会“突然刹车”。最终,由于无法抗拒引力,铁核心的中央在不到1秒的时间里崩塌并形成已知密度最大的物质——中子星。

通常认为,落入的物质随后撞击新形成的中子星并被反弹回来,从而创建了从中心处向外荡漾的冲击波。不过,仅反弹本身太过微弱,以至于无法同时逆转物质的崩塌和使恒星外层飞出去。没有一些额外的能量来源,这个过程会半路“熄火”。Janka介绍说,这一“亏空”“困扰了我们50多年”。

恒星爆发背后推手

关于什么可能提供了推动力的首个线索出现于1987年。当时,天文学家在附近星系——大麦哲伦星云中观测到一颗超新星。当时,一维模型肯定地推断恒星是完美的球体:由相互融合的元素形成的同心层构成,并且包含仅用一个坐标——到中心点的距离——便可解释的动力学机制。不过,超新星1987A喷射元素的混杂方式表明,各元素层一定是混合的。这是一个无法在一维下描述的动力学过程。

随着上世纪90年代更加强大的计算机的出现,建模专家通过将一维模型发展到二维,捕获了这一运动。在二维空间中,加热的中微子表现得像一锅水下面的炉灶火焰。这产生了将新鲜物质搅拌在一起供中微子加热的热对流和湍流,并且增加了冲击波背后的压力。2003年,来自上述橡树岭团队的Antony Mezzacappa发现,冲击波中的扰动能迅速增长为大规模的晃动和激烈的旋转。这被称为静止吸积激波不稳定性(SASI)。这些运动为冲击波“充电”并且帮助恒星爆发。

不过,物理学家仍担心,他们在二维空间呈现恒星时所作的妥协可能人为增加了爆发几率。的确,澳大利亚莫纳什大学计算天体物理学家Bernhard Müller(2014年之前,是Janka团队成员)介绍说,当计算能力在本世纪初强大到足以产生简单的三维模型时,这些模型再一次“不愿爆炸了”。直到2012年更快超级计算机的出现,才使研究人员开始将广义相对论同更详细的核和粒子物理学“编织”在一起,从而使三维恒星在从头制作的模型中爆发。

Janka介绍说,到达这一里程碑增加了人们对中微子加热、对流和SASI振荡是恒星爆发背后推手这一假设的信心。自2015年起,全球多个团队,包括加州理工学院、普林斯顿大学、密歇根州立大学和日本福冈大学的团队,开始利用三维模型开展研究。其中,很大一部分模拟以恒星爆发收尾。虽然这一趋势需要继续在拥有不同质量和原始结构的恒星中得以证实,但Müller对此表示乐观。“我们似乎正在接近这个问题的答案。”

寻找其他因素

其他人则持怀疑态度。冲击波在相对较小的恒星中更容易出现。2015年,当Janka团队试图引爆一颗较大的三维恒星(质量是太阳的20倍)时,他们仅在将中微子的一个反应速率调到粒子物理学允许的误差线最低值时才取得了成功。如今,利用更加真实的初始条件开展的模拟仍然只是接近爆发和“熄火”之间的临界点,并且没有人确切知道原因何在。“在现实中,这些事物总是能稳定地爆发。”密歇根州立大学计算天体物理学家Sean Couch说。之所以模型“不愿意”这么做,“可能是告诉我们,要么没有准确地模拟出所囊括的物理学性质,要么我们错失了一些物理学机制”。

一个解决办法是不停地建造更丰富的模型。不过,即便在今天的超级计算机上,这一过程仍需要耗费数月。未来几年,美国、欧洲、日本等国家和地区的超级计算机升级,或能将针对三维爆发模拟的运行时间减少到几周。不过,Mezzacappa表示,即便在这之后,要实现将完整的物理学机制包括进来的三维模拟,仍需要强大100倍的计算机。而建造出这种计算机,可能是几十年后的事情了。

与此同时,物理学家正把精力放在调整模型上,以便确定他们能否阐明3个主要因素——中微子加热、对流和SASI振荡如何相互作用以及是否有其他因素被错失。一些人正在探寻旋转和磁场是否可能助推了爆发。其他人则将模型基于更加真实的恒星——从一开始便将扰动加入进来。但对模拟结果进行比较非常困难。每个团队的模型不仅包括的物理学机制不同,简化方法、分辨率和像素排列也都不同——所有这些都会影响到模拟结果。同时,各个团队都在坚决捍卫他们的选择。“我参加会议时看到,来自不同团队的人几乎打了起来。每个人都在说,‘我的代码更好。’”Modjaz表示,但这无从得知,因为他们不会公开代码,也不会以一种常规的方式比较各种模拟结果。(宗华编译)

[责任编辑:李欢欢]

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